Tài liệu Nghiên cứu phân tích kết cấu cầu thi công theo phương pháp đúc hẫng dựa trên phần mềm phân tích kết cấu Midas-Civil

Nghiên cứu phân tích kết cấu cầu thi công theo phương pháp đúc hẫng dựa trên phần mềm phân tích kết cấu Midas/Civil TRƯỜNG CAO ĐẲNG GIAO THÔNG VẬN TẢI KHOA CÔNG TRÌNH BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Tên đề tài: Nghiên cứu phân tích kết cấu cầu thi công theo phương pháp đúc hẫng dựa trên phần mềm phân tích kết cấu Midas-Civil Sinh viên thực hiện: Tô Việt Dũng Đỗ Quang Minh Ngô Xuân Trường Lớp 58CĐB19 Giáo viên hướng dẫn: Phùng Bá Thắng Tổ môn cầu khoa công trình Tô Việt Dũng – Đỗ Quang Minh – Ngô Xuân Trường – Lớp 58CĐB19 Trang 1 Nghiên cứu phân tích kết cấu cầu thi công theo phương pháp đúc hẫng dựa trên phần mềm phân tích kết cấu Midas/Civil MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU CẦU BTCT DƯL THI CÔNG THEO PHƯƠNG PHÁP ĐÚC HẪNG 2 1.1. Đặc điểm cấu tạo của cầu BTCT DƯL thi công theo phương pháp đúc hẫng.....................2 1.1.1. Sơ đồ kết cấu cầu thi công bằng phương pháp đúc hẫng.............................................2 1.2. Vật tư và thiết bị trong quá trình thi công.......................................................................3 1.1.3. Trắc dọc cầu, đường cong đứng, đường cong đáy dầm, đường cong mặt bản đáy, sự thay đổi mặt cắt theo dọc cầu.................................................................................................6 1.1.4. Mặt cắt ngang...............................................................................................................9 1.1.5. Bố trí cốt thép.............................................................................................................10 1.2. Đặc điểm thi công..............................................................................................................13 1.2.1. Phân chia đốt đúc trong quá trình thi công................................................................13 1.2.2. Chu trình thi công các đốt..........................................................................................14 1.2.3. Thi công đốt hợp long................................................................................................16 3. Phương hướng nghiên cứu....................................................................................................17 CHƯƠNG 2: CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN NỘI LỰC, CHUYỂN VỊ KẾT CẤU VÀ PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN KẾT CẤU CẦU THI CÔNG THEO PHƯƠNG PHÁP ĐÚC HẪNG 19 2.1. Tải trọng.............................................................................................................................20 2.1.1. Tải trọng thường xuyên..............................................................................................20 2.1.2. Tải trọng tạm thời.......................................................................................................21 2.2. Đặc tính vật liệu: cường độ, mô đun đàn hồi.....................................................................21 2.2.1. Sự thay đổi cường độ bê tông theo thời gian.............................................................22 2.2.2. Sự thay đổi mô đun biến dạng bê tông theo thời gian................................................23 2.3. Co ngót và từ biến của bê tông..........................................................................................24 2.3.1. Co ngót và từ biến theo CEB-FIB model code 1990.................................................25 2.3.2. Co ngót và từ biến theo tiêu chuẩn 22TCN 272- 05 dựa trên quy phạm Mỹ AASHTO – 1998...................................................................................................................................29 2.4. Tải trọng khác....................................................................................................................31 2.5. Phương pháp phân tích kết cấu cầu thi công theo phương pháp phân đoạn......................32 2.5.1. Nội dung cơ bản của phương pháp PTHH.................................................................32 2.5.2. Mô hình hóa rời rạc kết cấu.......................................................................................33 Tô Việt Dũng – Đỗ Quang Minh – Ngô Xuân Trường – Lớp 58CĐB19 Trang 2 Nghiên cứu phân tích kết cấu cầu thi công theo phương pháp đúc hẫng dựa trên phần mềm phân tích kết cấu Midas/Civil 2.5.3. Chuyển vị nút và lực nút............................................................................................34 2.5.4. Phương trình cơ bản của của phương pháp phần tử hữu hạn đối với vật rắn.............35 2.5.5. Các bước tính toán kết cấu bằng phương pháp PTHH...............................................36 CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG PHẦN MỀM MIDAS TRONG PHÂN TÍCH KẾT CẤU CẦU CỤ THỂ 37 3.1. Giới thiệu phần mềm..........................................................................................................37 3.2. Trình tự phân tích kết cấu bằng phần mềm Midas.............................................................40 3.3. Ứng dụng trong cầu cụ thể.................................................................................................46 Tô Việt Dũng – Đỗ Quang Minh – Ngô Xuân Trường – Lớp 58CĐB19 Trang 3 Nghiên cứu phân tích kết cấu cầu thi công theo phương pháp đúc hẫng dựa trên phần mềm phân tích kết cấu Midas/Civil MỞ ĐẦU Trong quá trình lựa chọn kết cấu công trình vượt sông, rất nhiều yếu tố cần được cân nhắc đến, đó là: yêu cầu kỹ thuật, tính kinh tế, tính thẩm mỹ... Tùy theo từng trường hợp cụ thể mà người thiết kế sẽ chọn các phương án vượt sông cho phù hợp. Cùng với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật, kỹ thuật và công nghệ xây dựng ngày càng hoàn thiện, đi kèm với đó là các sơ đồ kết cấu ngày càng phong phú, chiều dài nhịp ngày càng lớn, công trình ngày càng thanh thoát mỹ quan hơn. Cùng với mỗi sơ đồ kết cấu thường kèm theo các công nghệ thi công khác nhau. Đối với kết cấu dầm cầu BTCT ƯST nhịp lớn, phổ biến trên thế giới hiện nay là các biện pháp thi công như: thi công trên đà giáo cố định, thi công trên đà giáo di dộng, thi công bằng phương pháp hẫng, thi công bằng phương pháp đây, thi công bằng phương pháp quay... Hiện nay, công nghệ thi công cầu BTCT khẩu độ lớn phổ biến nhất ở Việt Nam là thi công theo phương pháp hẫng và đặc biệt là phương pháp đúc hẫng cân bằng. Nguyên lý của phương pháp này là kết cấu nhịp được đúc hay lắp từ một trụ đối xứng ra hai bên. Đến giữa nhịp, các mút thừa được nối lại nhau bằng cách đổ bê tông tại chỗ (cầu dầm liên tục hay cầu khung), hoặc lắp vào một đoạn dầm treo (cầu khung dầm tĩnh định) hoặc lắp vào một khớp nối (cầu khung dầm có khớp). Kết cầu nhịp được phân ra từng đốt, có thể đúc tại chỗ trên ván khuôn di động hoặc lắp bằng những đốt đúc sẵn. Trong quá trình thi công, kết cấu nhịp chịu lực theo sơ đồ mút thừa nên trên tiết diện chỉ có mômen âm, các bó cốt thép DƯL được bố trí ở phía trên và đúc hay lắp đến đâu căng cốt thép đến đó. Với việc thi công theo trình tự được lặp đi lặp lại rất thuận tiện cho việc nắm bắt công nghệ, dễ đảm bảo yêu cầu kỹ thuật. Ở Việt Nam, công nghệ đúc hẫng được sử dụng rộng rãi . Từ những cầu đầu tiên có sự hỗ trợ của chuyên gia nước ngoài như cầu Niệm, cầu Rào, cầu Phú Lương, cầu Sông Gianh đến nay chúng ta đã có thể tự thiết kế và thi công hàng loạt cầu theo phương pháp hẫng (phổ biến nhất là đúc hẫng cân bằng). Một số công trình cầu như: Cầu An Dương II, sơ đồ nhịp: 60+100+60 hoàn thành năm 2001; Cầu Tuyên Sơn, sơ đồ nhịp: 50+57+50; Cầu Cẩm Lệ, sơ đồ nhịp: 42+63x5+42, hoàn thành năm 2002 ; ... Việc ứng dụng công nghệ hẫng để thi công cầu không chỉ gói gọn trong việc thi công cầu BTCT DƯL thông thường mà được sử dụng cho nhiều loại hình kết cấu khác như cầu treo, cầu dây văng... kể cả khi phân đoạn dầm không phải là BTCT. Tô Việt Dũng – Đỗ Quang Minh – Ngô Xuân Trường – Lớp 58CĐB19 1 Nghiên cứu phân tích kết cấu cầu thi công theo phương pháp đúc hẫng dựa trên phần mềm phân tích kết cấu Midas/Civil CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU CẦU BTCT DƯL THI CÔNG THEO PHƯƠNG PHÁP ĐÚC HẪNG 1.1. Đặc điểm cấu tạo của cầu BTCT DƯL thi công theo phương pháp đúc hẫng. 1.1.1. Sơ đồ kết cấu cầu thi công bằng phương pháp đúc hẫng Các sơ đồ kết cấu phù hợp cho phương pháp đúc hẫng có thể là: 1.1.1.1. Cầu dầm liên tục có nhịp từ(40÷50m) đến(150÷200m) Nhịp biên có thể ngắn hơn nhịp giữa ví dụ: L1 = (0, 7 – 0, 8) x L2. Khi chọn chiều dài nhịp biên cần chú ý là do kết cấu nhịp được thi công đối xứng qua trụ nên đoạn dầm gần sát đầu nhịp biên thường được đúc tại chỗ trên đà giáo. Nếu kết cấu nhịp là dầm liên tục thì phải tìm cách liên kết cứng tạm thời nó với trụ trong quá trình thi công hoặc dùng các trụ tạm bổ sung ở gần trụ vĩnh cửu. Vì vậy phải căn cứ theo địa hình thực tế để chọn độ dài đoạn này. Các nhịp giữa sẽ có thể dài bằng nhau hoặc khác nhau. Hình 1.1. Dạng sơ đồ kết cấu nhịp 1.1.1.2. Cầu khung - dầm có nhịp dài từ(60÷70m) đến 200m Kết cấu nhịp sẽ có dạng một đòn gánh với hai công xon bằng nhau. Nếu kết cấu nhịp được nối cứng với trụ như cầu khung thì khả năng chịu mômen uốn tốt hơn. Các cầu khung - dầm với sơ đồ có thể là siêu tĩnh hoặc tĩnh định(nếu dùng các nhịp dầm đeo). Sơ đồ tĩnh định có dầm đeo sẽ tạo ra nhiều khe biến dạng trên cầu khiến cho đường đàn hồi của kết cấu nhịp có điểm gãy chuyển tiếp và xe chạy qua cầu không được êm thuận. Đối với kiểu kết cấu có chốt cũng sẽ xảy ra tình trạng tương tự. Vì vậy trên các tuyến đường cấp cao không nên áp dụng sơ đồ này. Mặt khác cấu tạo chốt hay gối của dầm đeo đều gây ra những khó khăn cho thi công và duy tu, sửa chữa kết cấu. Ngày nay hầu hết cầu mới xây dựng đều có sơ đồ siêu tĩnh liên tục nhiệu nhịp. 1.1.1.3. Cầu dây xiên - dầm cứng BTCT có nhịp dài từ 100m đến (400÷500m) Các sơ đồ cầu treo dây xiên – dầm cứng BTCT rất đa dạng, hình thức kiến trúc đẹp, tiết kiệm vật liệu, phù hợp với phương pháp thi công hẫng hiện đại. Tuy nhiên kỹ thuật thi công phức tạp đòi hỏi trình độ cao. Tô Việt Dũng – Đỗ Quang Minh – Ngô Xuân Trường – Lớp 58CĐB19 2 Nghiên cứu phân tích kết cấu cầu thi công theo phương pháp đúc hẫng dựa trên phần mềm phân tích kết cấu Midas/Civil 1.2. Vật tư và thiết bị trong quá trình thi công 1.2.1. Cốt thép cường độ cao 1.2.1.1. Bó cáp dự ứng lực trong (nằm trong bê tông): Hiện nay ở Việt Nam, yêu cầu cốt thép DƯL thường tuân thủ theo tiêu chuẩn Hoa Kỳ ASTM A416 cấp 270. Các bó cáp được tạo thành bởi các tao cáp 0. 5 inches (12.7mm) hoặc 0. 6 inches (15.2mm), mỗi tao này bao gồm 7 sợi thép cường độ cao có độ tự chùng thấp. Số lượng các tao cáp, đường kính và lực căng được ghi cụ thể trong mỗi đồ án thiết kế có thể khác nhau. Hình 1.2. Cáp dự ứng lực Giới hạn kéo và giới hạn chảy của các loại thép này có thể lấy trong bảng 1-1 dưới đây: Bảng 1-1: Tính chất của tao cáp thép và thép thanh dự ứng lực Vật liệu Cường độ kéo hoặc loại mác thép Tao thép 1725 MPa(Mác 250) 1860 MPa(Mác 270) Thép than h Loại 1, thép trơn Loại 2, thép có gờ Đường kính (mm) Cường độ chịu kéo fpu (MPa) Giới hạn chảy fpy (MPa) 6. 35 đến 15. 24 9. 53 đến 15. 24 1725 1860 85% của fpu ngoại trừ 90% của fpu với tao cáp tự chùng thấp 19 đến 35 15 đến 36 1035 1035 85% của fpu 80% của fpu Môđun đàn hồi: Nếu không có các số liệu chính xác hơn mô đun đàn hồi của thép dự ứng lực dựa trên diện tích mặt cắt ngang danh định của thép có thế lấy như sau” Đối với tao thép: Ep = 197000 MPa Đối với thanh : Ep = 207000 MPa b. Bó cáp dự ứng lực ngoài (nằm ngoài bê tông): Các bó cáp DƯL ngoài có thể gọi là nhóm cáp thứ ba trong dầm, thường được đặt sau khi hợp long xong toàn bộ kết cấu cấu nhịp, như vậy chúng sẽ tham gia chủ yếu để chịu Tô Việt Dũng – Đỗ Quang Minh – Ngô Xuân Trường – Lớp 58CĐB19 3 Nghiên cứu phân tích kết cấu cầu thi công theo phương pháp đúc hẫng dựa trên phần mềm phân tích kết cấu Midas/Civil hoạt tải khai thác và tĩnh tải giai đoạn 2. Các cáp này nằm ngoài mặt cắt bê tông nhưng thường vẫn nằm trong long hộp dầm kín và được bảo vệ đặc biệt để chống gỉ. 1.2.2. Bó sợi song song Loại bó sợi song song có khuyết điểm tốn công chế tạo tại hiện trường sự phân bố ứng suất giữa các sợi trong cùng một bó khó đảm bảo đều, dễ có nguy cơ đứt sợi, khả năng chống gỉ kém. Tuy nhiên có ưu điểm là tương đối rẻ trong điều kiện nước ta hiện nay. 1.1.3. Trắc dọc cầu, đường cong đứng, đường cong đáy dầm, đường cong mặt bản đáy, sự thay đổi mặt cắt theo dọc cầu. Khi lập sơ đồ cầu để đưa ra phân tích thì ta cần nghiên cứu bố trí đường cong trắc dọc của mặt cầu và độ đốc ngang mặt cầu sao cho đảm bảo yêu cầu về khai thác. Bán kính đường cong đứng được lựa chọn phụ thuộc vào nhiều yếu tố về cao độ đường đầu cầu, cao độ mặt cầu ở nhịp thông thuyền, độ dốc dọc tối đa cho phép…Cầu càng dài, đường cong đứng thường càng có bán kính lớn. Do đặc điểm của phương pháp thi công đúc hẫng nên các mặt cắt càng gần trụ càng chịu mômen uốn âm lớn. Các mặt cắt ở phần giữa nhịp do vật chịu lực nhỏ hơn so với các mặt cắt trên gối. Vì vậy nên làm kết cấu nhịp có chiều cao thay đổi, tăng dần từ phía trụ ra phía giữa nhịp. Hầu hết các cầu hiện nay có đường biên dưới dọc cầu là đường cong parapol hoặc hyperbol phù hợp với hình dạng công-xon chịu tải trọng bản thân. Một số cầu còn có dạng là đường cong bậc 3 nhưng như vậy sẽ tạo ra chiều cao không đủ của các mặt cắt trong khoảng ¼ nhịp đến giữa nhịp. Nếu có dạng đường gấp khúc thì phải có một dầm ngang ở giữa nhịp. Tỷ lệ giữa chiều cao nhịp ở trên gối và chiều dài nhịp(h1/L) thay đổi trong khoảng từ(1/6-1/20), tỷ lệ hợp lý nhất thường là 1/18. Nếu kết cấu nhịp có dạng liên tục thì chiều cao giữa nhịp không nên nhỏ hơn 1, 60 m để công nhân có thể đi lại thực hiện các công việc trong hộp như vận chuyển thiết bị vật tư…Thực tế thì chiều cao giữa nhịp nên lấy (1/30- 1/60) L. Mặc dù vậy nhưng vấn có khuynh hướng kiến trúc áp dụng dạng kết cấu nhịp có chiều cao không đổi. Kiểu kết cấu nhịp có chiều cao không đổi thường không kinh tế và chỉ áp dụng cho nhịp dài 60-70m và trong điều kiện đặc biệt. Một giải pháp là làm cho kết cấu nhịp có chiều cao không đổi trên phần lớn chiều dài nhịp, đến gần gối thì làm đoạn vuốt nghiêng để tăng chiều cao kết cấu nhịp cũng tức là để tăng mômen quán tính ở khu vực có mômen âm lớn nhất. Ngoài ra sử dụng giải pháp làm tăng bề dày bản đáy hôp hoặc làm đoạn vuốt nghiêng đường biên dưới của kết cấu nhịp, khi đó phải them dầm ngang ở đầu đoạn vuốt. Với đoạn vuốt nghiêng có thể có bề mặt dạng parabol, hyperbol để tạo sự chuyển tiếp dần dần từ mặt cắt thông thường sang mặt cắt có đoạn thắt hẹp để nối với trụ cầu. Tô Việt Dũng – Đỗ Quang Minh – Ngô Xuân Trường – Lớp 58CĐB19 4 Nghiên cứu phân tích kết cấu cầu thi công theo phương pháp đúc hẫng dựa trên phần mềm phân tích kết cấu Midas/Civil 42000 63000 12.315 42000 13.399 13.201 H1% +4.06 7000 100 13.201 160 12.314 H5% +3.76 Hmin -0.16 Hình 1.7. Mặt cắt dọc cầu liên tục 1.1.4. Mặt cắt ngang 1.1.4.1. Dạng mặt cắt ngang Kết cấu nhịp phù hợp với phương pháp thi công đúc hẫng là loại có dạng mặt cắt hình hộp: một hộp, một hộp có vách ngăn, hai hộp.... Loại mặt cắt này có đặc điểm: - Trên phần lớn chiều dài nhịp chịu mômen âm nên các bản cánh dưới bị nén mạnh và có dạng bản nối liền giữa các thành hộp dầm. Như thế hình thành mặt cắt hình hộp có khả năng chống xoắn tốt. - Kết cấu hình hộp có hiệu suất cơ học tốt và có mômen giới hạn lớn hơn của mặt cắt chữ T. - Bản cánh dưới rộng đủ diện tích bê tông để cân bằng với khả năng chịu kéo lớn của cáp dự ứng lực khi mặt cắt chịu đến tải mômen âm giới hạn. - Sự ổn định đàn hồi và sự ổn định động học của kết cấu nhịp trong lúc đang thi công được đảm bảo an toàn hơn trong một kết cấu mặt cắt hình hộp. - Khi khai thác cầu, độ cứng chống xoắn lớn của mặt cắt hình hộp sẽ làm giảm góc xoay của mặt cắt ngang dưới tác động của hoạt tải đoàn xe đặt lệch tâm trong mặt cắt ngang cầu. Mặt cắt ngang trên gối giữa của dầm liên tục đúc hẫng nên lấy trong khoảng H = L/16L/20. Chiều cao mặt cắt giữa nhịp chính nên lấy khoảng bằng L/40- L/60. Đoạn dầm đầu nhịp biên được đúc trên đà giáo thường có chiều cao không đổi và bằng chiều cao đầu mút cánh hẫng. Chiều cao các đốt hợp long ở nhịp biên và các nhịp giữa cũng như vậy. Chiều dài đoạn đúc trên đà giáo của nhịp biên thường khoảng(0, 5- 0, 2) L, với L: chiều dài nhịp cánh. 1.1.4.2. Hình dáng các dầm hộp Số lượng và hình dáng của các dầm hộp phụ thuộc vào chiều rộng của mặt cắt ngang nhịp. + L ≤ 13m: thì dầm 1 hộp có 2 thành hộp dạng cổ điển; + 13m ≤ L ≤18m: thì dầm 1 hộp có 2 thành hộp + 18m ≤ L ≤ 25m: thì kết hợp hai dầm 1 hộp nhờ bản nối ở giữa. Một số cầu rất rộng có cấu tạo mặt cắt kiểu 3 hộp. Các thành hộp có thể đứng hoặc Tô Việt Dũng – Đỗ Quang Minh – Ngô Xuân Trường – Lớp 58CĐB19 5 Nghiên cứu phân tích kết cấu cầu thi công theo phương pháp đúc hẫng dựa trên phần mềm phân tích kết cấu Midas/Civil nghiêng. Ngoài ra còn có kiểu mặt cắt hộp có nhiều khoang hộp liền nhau. Chúng thường có 2 thành hộp bên trong thằng đứng và hai thành hộp bên ngoài nghiêng. 5850 5850 5500 5500 350 1200 250 600 200 v¸t gãc 300x300 2938 3300 1000 2812 1900 3300 200 412 3350 3800 200 250 200 250 250 110 500 1309 500 1309 250 500 1200 500 350 v¸t gãc 300x300 2500 2500 5000 412 2938 3350 Hình 1.8. Mặt cắt ngang dầm một hộp hai thành 1.1.5. Bố trí cốt thép 1.1.5.1. Cốt thép dự ứng lực a. Cốt thép dự ứng lực dọc: Hàm lượng cốt thép dự ứng lực dọc cầu thường vào khoảng 40-50 kG/m 3 bê tông kết cấu. Nguyên tắc bố trí cốt thép là sẽ bố trí cốt thép trong giai đoạn thi công, sau đó tính cốt thép cần trong giai đoạn khai thác, xem xét cốt thép trong giai đoạn thi công có thể tham gia vào giai đoạn khai thác như thế nào để có thể điều chỉnh hợp lý. Tô Việt Dũng – Đỗ Quang Minh – Ngô Xuân Trường – Lớp 58CĐB19 6 Nghiên cứu phân tích kết cấu cầu thi công theo phương pháp đúc hẫng dựa trên phần mềm phân tích kết cấu Midas/Civil mÆt ®øng (tû lÖ: 1/300) C1-1 C1-2 C1-3 C1-4 C1-5 C1-6 C1-7 nhãm 1 C1-8 C1-9 C1-10 dp-1 15 T 15.2 ChiÒu dµi nhÞp biªn = 42000 9500 7@3500=24500 2000 1650 4750 K7' K6' K5' dp-1 C1-10 50 0 KN 10° 10° 7° 3° 30 5 40 0 KT C1-9 C1-8 C1-7 C1-6 K4' 11° C3-2 K2' C1-4 11° C3-1 K3' C1-5 9.5° K1' C1-3 C1-2 11° C3-3 40 0 20 00 30 5 650 1/2 ChiÒu dµi nhÞp chÝnh = 31500 7@3500=24500 12000 2500 K0 K1 C1-1 C1-1 K2 C1-2 K3 C1-3 K4 K6 K7 C1-5 C1-4 K5 C1-7 C1-6 C1-9 C1-8 dp-1 C1-10 11° C3-5 dp-3 11° 11° 11° C2-4 C2-5 C2-3 C2-2 KN 10° C2-6 dp-2 11° C3-4 1000 4750 C2-1 500 3000 500 3000 500 3000 500 3000 500 3000 3000 500 3000 500 3000 500 3000 500 3000 500 12 T 15.2 12 T 15.2 nhãm 2 C3-1 C3-2 C3-3 C3-4 C3-5 dp-3 nhãm 3 C2-1 C2-2 C2-3 C2-4 C2-5 C2-6 dp-2 mÆt b»ng (tû lÖ: 1/300) ChiÒu dµi nhÞp biªn = 42000 9500 2000 1650 1/2 ChiÒu dµi nhÞp chÝnh = 31500 24500 12000 3500 3500 3500 3500 3500 3500 3500 K7' K6' K5' K4' K3' K2' K1' DP-1 C1-9 C1-7 C1-5 4750 2500 24500 4750 1000 3500 3500 3500 3500 3500 3500 3500 K1 K2 K3 K4 K5 K6 K7 C1-5 C1-7 C1-9 DP-1 650 KN 22 75 12° 10° 22 75 170 =80 10/ 55 2 32 15 KT 10° 8° C1-10 2° 5° 5° 3° 2° 8° 6° C1-8 5° C1-3 C1-1 C1-4 C3-2 C3-3 C1-3 3° C1-2 C3-4 C1-2 3° C3-5 dp-3 8° 6° 5° C1-4 C1-6 2° 5° 3° C3-1 C1-1 3° 3° C1-6 K0 C1-8 3° dp-2 C2-6 C2-5 C2-4 C2-3 10° 8° 12° 10° C1-10 5° C2-2 KN C2-1 Hình 1.2. Bố trí cáp dự ứng lực Có thể chia cốt thép dự ứng lực trong tương ứng với 3 giai đoạn trong quá trình thi công đúc hẫng: - Giai đoạn đúc hẫng: các cốt thép dự ứng lực được đặt trong phạm vi bản cánh trên của dầm hộp, nơi phát sinh ứng suất kéo do mômen âm xuất hiện trong suốt quá trình đúc hẫng cân bằng gây ra. Tô Việt Dũng – Đỗ Quang Minh – Ngô Xuân Trường – Lớp 58CĐB19 7 Nghiên cứu phân tích kết cấu cầu thi công theo phương pháp đúc hẫng dựa trên phần mềm phân tích kết cấu Midas/Civil - Giai đoạn hợp long: các bó cốt thép dự ứng lực sẽ được đặt phía dưới của các mặt cắt để chịu mômen dương do tác dụng kết hợp của dự ứng lực và của tính tĩnh, của tải trọng thi công. - Giai đoạn hoàn thiện: Bố trí đặt thêm các bó cốt thép dự ứng lực để chịu mômen âm hoặc dương do tĩnh tải bổ sung và hoạt tải. Cốt thép dự ứng lực ngoài được đặt sau khi đã hợp long xong toàn bộ kết cấu nhịp. Khi đó cáp dự ứng lực ngoài sẽ chịu mômen âm và mômen dương do tĩnh tải và hoạt tải gây ra trên các mặt cắt. Bó cáp dự ứng lực ngoài thường có nhiều tao cáp hơn loại bó cáp đặt ở bản đáy hộp. Vách ngang của đốt K0 thường được dùng làm nơi đặt neo của cáp dự ứng lực ngoài. b. Cốt thép dự ứng lực ngang: Khả năng chịu lực theo phương ngang cầu của bản phần xe chạy có thể đảm bảo đủ nếu dùng kết cấu bản bê tông cốt thép thường và nếu hộp có chiều rộng vừa phải, khoảng nhỏ hơn 16m. Cốt thép ngang thường là 5- 7kg/1mét diện tích hữu ích của mặt cắt. Loại cáp ngang thường 3-4 tao xoắn 12, 7mm đặt chung trong 1 ống bọc hình dẹt. Neo cũng là loại neo dẹt chuyên dụng. Khoảng cách cáp ngang khoảng 50 cm. Các đầu neo của cáp ngang được đổi chiều bố trí lần lượt để khi kéo căng cáp không ảnh hưởng xoắn ngang kết cấu nhịp. c. Cốt thép dự ứng lực đứng: Tác dụng của việc đặt cốt thép dự ứng lực đứng là tăng cường khả năng chịu cắt, chịu xoắn và chống vết nứt nghiêng. Các cáp dự ứng lực đứng thường ngắn nên rất khó kéo căng chính xác. Vì thế có xu hướng dùng vật tư là thanh cường độ cao với loại neo kiểu e-cu. 1.1.5.2. Cốt thép thường Bố trí cốt thép phải đảm bảo đúng quy định của tiêu chuẩn 22TCN272-05 như: - Cự ly tối thiểu của các thanh cốt thép - Các mối nối - Bó các thanh cốt thép thường - Cự ly tối đa của các thanh cốt thép… Trong các vách và bản, cự ly cốt thép không được vượt quá hoặc 1, 5 làn chiều dày của bộ phận hoặc 450mm. Trong bản mặt cầu cốt thép song song được đặt trong hai hoặc nhiều lớp, với khoảng cách trống giữa các lớp dưới, và cự ly các lớp không được nhỏ hơn hoặc 25mm hoặc đường kính của thanh. a. Cốt thép ngang: Cốt thép ngang cho các bộ phận chủ yếu chịu nén cũng có thể dùng loại cốt xoắn hoặc cốt giằng. Cố xoắn bao gồm một hoặc nhiều cốt xoắn liên tục đạt đều bằng cốt thép trơn Tô Việt Dũng – Đỗ Quang Minh – Ngô Xuân Trường – Lớp 58CĐB19 8 Nghiên cứu phân tích kết cấu cầu thi công theo phương pháp đúc hẫng dựa trên phần mềm phân tích kết cấu Midas/Civil hoặc cốt thép có gờ, hoặc dây thép với đường kính tối thiểu là 9, 5mm. Các cốt giằng phải được bố trí theo chiều đứng không lớn hơn ½ cự ly của chúng ở phía trên bệ móng hoặc bệ đỡ khác và không lớn hơn ½ cự ly của chúng ở phía dưới lớp cốt thép nằm ngang thấp nhất trong cấu kiện bị đỡ. Cốt thép chịu nén trong các bộ phận chịu uốn, trừ bản mặt cầu, phải được bao quanh bởi cốt giằng hoặc cốt đai U. b. Cốt thép co ngót và nhiệt độ: Cốt thép để chịu các ứng suất co ngót và nhiệt độ phải được đặt gần các bề mặt bê tông lộ ra trước các thay đổi nhiệt độ hàng ngày và trong các khối bê tông kết cấu lớn. Cốt thép nhiệt độ và co ngót phải cộng thêm vào sao cho tổng cốt thép ở các bề mặt bị lộ ra không ít hơn quy định. Thép phải được phân bố đều trên hai mặt, trừ các bộ phận mỏng hoặc mỏng hơn 150mm cốt thép có thể đặt trong một lớp. Cốt thép chịu co ngót và nhiệt độ không được đặt rộng hơn hoặc 3 lần chiều dài cấu kiện hoặc 450mm. c. Cốt thép khối K0 trên trụ: Cốt thép thường trong đốt K0 bố trí tương đối nhiều vì trạng thái ứng suất – biến dạng ở khu vực này rất phức tạp. Các ứng suất lớn tập trung rất lớn xuất hiện trong vách ngang, trong bản đáy và tại các vị trí đặt mấu neo của cáp dự ứng lực ngoài trên vách ngang, đặc biệt là các ứng suất kéo rất nguy hiểm. 1.2. Đặc điểm thi công Nguyên lý của phương pháp này là kết cấu nhịp được đúc hẫng cân bằng từ trụ ra hai bên. Đến giữa nhịp các mút thừa được hợp long bằng cách đổ bê tong tại chỗ (cầu dầm liên tục hay cầu khung). Kết cấu nhịp được phân ra từng đốt. Thi công đúc hẫng cân bằng từ trụ ra nên thi công đối xứng để tránh xuất hiện mô mên lật quá lớn. Như thế nên kết cấu nhịp sẽ có dạng một đòn gánh với hai công xon bằng nhau. Do không thể thi đổ bê tông một cách tuyệt đối cả ở hai công xon nên các trụ vẫn phải chịu các mômen uốn. 1.2.1. Phân chia đốt đúc trong quá trình thi công Trong phương pháp đúc hẫng cân bằng, chiều dài K0 thường vào khoảng 12-14m. Chiều dài đốt hợp long giữa nhịp chính vào khoảng 2- 4 m. Phần còn lại của chiều dài cánh hẫng sẽ được chia thành các đốt đúc hẫng. Mỗi đốt thường từ 2, 5- 4 m. Theo phương dọc cầu thì mỗi nhóm gồm các đốt có chiều dài giống nhau. Các nhóm khác nhau có chiều dài khác nhau. Chiều dài đốt được chọn sao cho tận dụng hết năng lực của thiết bị xe đúc. Khối lượng bê tông mỗi đốt phù hợp với khả năng cung cấp bê tông đến công trường. Mỗi đốt dầm phân đoạn phải neo ít nhất là 2 bó tao cáp đặt dọc một cách đối xứng hoặc gần đối xứng trong mặt cắt ngang hộp để giảm ảnh hưởng xoắn do dự ứng lực lệch tâm trong mặt phẳng nằm ngang. Phải xử lý các mối nối giữa các phân đoạn đúc tại chỗ. Tô Việt Dũng – Đỗ Quang Minh – Ngô Xuân Trường – Lớp 58CĐB19 9 Nghiên cứu phân tích kết cấu cầu thi công theo phương pháp đúc hẫng dựa trên phần mềm phân tích kết cấu Midas/Civil mÆt ®øng (tû lÖ: 1/300) ChiÒu dµi nhÞp biªn = 42000 7@3500=24500 12000 KN K7' K6' K5' K4' K3' K2' 2500 K0 K1' K1 1000 600 khèi hîp long nhÞp biªn 600 800 1900 1000 4750 200 4750 200 2000 T4 Hình 2.1. Phân chia đốt đúc 1.2.2. Chu trình thi công các đốt a. Đốt trên đỉnh trụ (Ko): - Chuẩn bị vật liệu và các thiết bị thi công hẫng - Lắp đặt gối cao su. - Lắp đặt gối tạm. - Lắp đặt đà giáo ván khuôn K0. - Lắp đặt ông ghen chứa thanh PC bar và neo. - Đổ bê tông. - Kéo cáp dự ứng lực khi bê tông đủ cường độ chịu nén. - Neo các thanh PC bar. Hình 2.2 Thi công đốt K0 Tô Việt Dũng – Đỗ Quang Minh – Ngô Xuân Trường – Lớp 58CĐB19 10 Nghiên cứu phân tích kết cấu cầu thi công theo phương pháp đúc hẫng dựa trên phần mềm phân tích kết cấu Midas/Civil b. Thi công các đốt đúc hẫng: Các đốt đúc hẫng thường có chiều dài 3-4m. Giai đoạn thi công một đốt đúc thông thường được tiến hành như sau: - Đổ bê tông bản đáy. - Đổ bê tông thành hộp sau khi đã đặt ván khuôn trong. Mặt tiếp xúc giữa bản thành và bản đáy theo phương thẳng đứng. - Đổ bê tông bản trên - Đôi khi hai giai đoạn sau có thể gộp lại thành một giai đoạn. - Chu trình thi công một đốt thông thường với hệ xe đúc thông dụng thường kéo dài từ 6-7 ngày. - Một ngày để căng cốt thép đốt đúc trước và di chuyển xe đúc và ván khuôn. - Hai ngày để lắp đặt cốt thép và ống luồn cáp. - Ba ngày để đông cứng bê tông. Đối với chu trình như trên, với chiều dài đốt đúc là 3m và đúc đối xứng, thì tốc độ thi công được xác định 1m/ngày. Với tốc độ này thì tương đối chậm và người ta thường ứng dụng một số kỹ thuật khác để tăng tốc độ thi công như là: - Sử dụng kiểu ván khuôn có dầm chủ đặt bên cạnh kết cấu nhịp hoặc kiểu ván khuôn tự treo nhằm tạo ra khoảng trống trên bản mặt của đốt đã được xây dựng. Sau đó có thể tiếp tục thi công trên đà giáo với tốc độ hai đốt trên một tuần. - Tăng chiều dài đốt đúc. Như cầu ở Rio Tocantins và Parana của Braxin có chiều dài đốt đúc là 6, 6m và 6m; hay cầu Avignon của Pháp có chiều dài đốt đúc là 6, 1m. Tuy nhiên, trọng lượng và giá thành của xe đúc và ván khuôn có tỉ lệ tăng nhanh theo chiều dài đốt đúc. - Thi công mặt cắt ngang hộp theo hai giai đoạn. Trong giai đoạn một, bản đáy và thành bên (với một phần của bản trên để tạo mặt bằng và để bố trí cáp dự ứng lực) được đổ bê tông trên đà giáo. Đoạn dầm được thi công sẽ có tiết diện hình chữ U (nếu có hai thành hộp) hoặc W (nếu có ba thành hộp). Sau khi căng cáp và di chuyển xe đúc sẽ tiến hành đổ bê tông bản trên. Giai đoạn hai thường được thi công sau khi thi công giai đoạn một được hai đến ba đốt. Biện pháp này có tác dụng làm giảm trọng lượng đổ bê tông trên xe đúc, do đó sẽ làm giảm trọng lượng của bản thân xe đúc. Hơn nữa, quá trình thi công ở giai đoạn hai không phụ thuộc vào giai đoạn một. Chẳng hạn như cầu vượt Saint-Isidore và Magnan cũng thi công theo phương pháp này. Cầu vượt Saint-Isidore có các nhịp dài 40m, giai đoạn hai được thi công sau khi đã nối liên tục các nhịp hẫng. Sau đó ván khuôn sẽ di chuyển trên bản đáy Tô Việt Dũng – Đỗ Quang Minh – Ngô Xuân Trường – Lớp 58CĐB19 11 Nghiên cứu phân tích kết cấu cầu thi công theo phương pháp đúc hẫng dựa trên phần mềm phân tích kết cấu Midas/Civil đã được thi công từ một mố ra để đổ bê tông bản mặt bên trên. Đối với cầu vượt Magnan thì bản trên được đổ chậm hơn sau khi ba đốt đã được thi công giai đoạn một. Những phương pháp trên cũng làm giảm đáng kể chu trình thi công một đốt dầm. Theo kết quả thống kê thì tiến độ thi công tăng lên trung bình khoảng 2m trong một ngày. Đối với cầu đúc hẫng, thông thường ta hay sử dụng hai biện pháp đó là sấy sơ bộ bê tông trước khi đổ với nhiệt độ từ 30÷35°C và bảo dưỡng bằng hơi nước. Hình 2.3. Thi công đốt đúc hẫng 1.2.3. Thi công đốt hợp long Khối hợp long là khối cuối cùng để nối các dầm hẫng với đoạn dầm đúc trên đà giáo hoặc nối các dầm hẫng với nhau tạo thành dầm liên tục. Có thể chia ra hai loại khối hợp long: a. Thi công khối hợp long nối dầm hẫng với đoạn dầm đúc trên đà giáo Gồm các bước chính: - Điều chỉnh cao độ tại khối hợp long - Đặt và chỉnh cao độ ván khuôn cho khối hợp long theo cao độ dầm đã được điều chỉnh, buộc cốt thép - Đặt các thanh chống tạm. Đổ lớp vữa dày tối thiểu 3cm vào các khe hở co giữa đầu thanh chống và mặt bê tông (loại vữa cường độ cao không co ngót). Tô Việt Dũng – Đỗ Quang Minh – Ngô Xuân Trường – Lớp 58CĐB19 12 Nghiên cứu phân tích kết cấu cầu thi công theo phương pháp đúc hẫng dựa trên phần mềm phân tích kết cấu Midas/Civil - Vệ sinh và đổ vữa cho gối chính - Căng kéo các bó cáp trước khi đổ bê tông - Cắt thanh chống dưới - Căng kéo các bó cáp đáy còn lại - Tháo xe đúc - Bơm vữa lấp lỗ ống ghen của thanh ứng suất trong, khối đỉnh trụ và thân trụ b. Thi công khối hợp long giữa hai đầu dầm hẫng Nhìn chung thi công khối hợp long này giống thi công khối hợp long cho nhịp có khối đúc trên đà giáo nhưng không cần thực hiện các bước: vệ sinh và bơm vữa gối chính, hạ ứng suất và tháo gối tạm. Hình 2.4. Thi công khối hợp long 1.2.4. Thiết bị vật tư phục vụ thi công 1.2.4.1. Mấu neo, kích để căng cáp dự ứng lực Có nhiều loại mấu neo và kích khác nhau nhưng tất cả đều dựa trên nguyên tắc dùng chêm neo hình nón cụt đặt trong lỗ khoét hình nón cụt tương ứng với vỏ neo. Các kích thông dụng nhất đều hoạt động theo nguyên tắc song động, nghĩa là thực hiện lần lượt 2 động tác: kéo căng cáp đến đủ lực căng thiết kế, rồi đóng chêm cheo vào vỏ neo. Trong trường hợp kích đóng neo cưỡng bức thì tiến hành nhiều hành trình kích. Tô Việt Dũng – Đỗ Quang Minh – Ngô Xuân Trường – Lớp 58CĐB19 13 Nghiên cứu phân tích kết cấu cầu thi công theo phương pháp đúc hẫng dựa trên phần mềm phân tích kết cấu Midas/Civil Hình 1.3. Kích và neo để căng cáp dự ứng lực 1.2.4.2. Hệ đà giáo mở rộng trụ Trong thi công cầu đúc hẫng ngoài các loại xe đúc di động còn dùng đến đà giáo cố định và trụ tạm khi cần thiết. Phần đà giáo mở rộng trụ để phục vụ thi công đốt K0 trên đỉnh trụ thường được liên kết với các đoạn dầm I thép chôn chờ sẵn ở thân trụ. Hình 1.4. Hệ đà giáo mở rộng trụ 1.2.4.3. Hệ đà giáo đúc bê tông đoạn nhịp biên Với cầu có nhiều nhịp liên tục thì một phần nhịp biên gần mố sẽ được đúc trên đà giáo cố định, đà giáo này có dạng giàn thép được lắp dựng tựa lên các trụ tạm trên mặt đất giống như các trường hợp thông thường. Tô Việt Dũng – Đỗ Quang Minh – Ngô Xuân Trường – Lớp 58CĐB19 14 Nghiên cứu phân tích kết cấu cầu thi công theo phương pháp đúc hẫng dựa trên phần mềm phân tích kết cấu Midas/Civil Hình 1.5. Hệ đà giáo đúc bê tông đoạn nhịp biên 1.2.4.4. Xe đúc hẫng Bộ xe đúc hẫng gồm phần ván khuôn treo và một khung đỡ bằng thép được liên kết chắc chắn với phần kết cấu nhịp đã được làm xong trước đó. a. Các loại xe đúc cổ điển:  Xe đúc hẫng có dàn khung đỡ đặt trên đỉnh kết cấu nhịp Các dầm dọc chủ của dàn khung đỡ được đặt bên trên đỉnh đốt kết cấu nhịp vừa thi công xong, còn ván khuôn ngoài, sàn đỡ đáy, sàn đi lại và thao tác của công nhân đều được treo vào các dầm dọc chủ của khung đỡ đó. Ván khuôn trong đó có thể được treo vào một xe goòng di chuyển trên kết cấu nhịp. Các đầu dầm dọc chủ của khung đỡ được neo vào đốt kết cấu nhịp để đảm bảo ổn định cho xe đúc tại vị trí đổ bê tông.  Xe đúc hẫng có dàn khung đỡ đặt bên cạnh kết cấu nhịp Loại xe đúc này thì có ưu điểm là nằm ngoài hộp và sát bên cạnh thành của đốt kết cấu nhịp hộp nên không cản trở các thao tác thi công như lắp dựng ván khuôn, đặt cốt thép, đổ bê tông. b. Các loại xe đúc kiểu tự treo: Tổ hợp các bộ phận gồm các ván khuôn ngoài của các thành biên hộp và sàn đỡ đáy được tăng cứng ngang bằng 2 khung ngang ở phía trước và phía sau xe đúc cùng các dầm ngang nối giữa chúng. Ván khuôn trong gồm các phần độc lập, tỳ vào khung ngang phía trước và treo vào phía sau của đốt kết cấu nhịp đã đúc trước đó. Để di chuyển xe đúc tiến lên phía trước vào vị trí mới cần phải có xe goòng di động trên hai đường ray đặt đúng trên của hai thanh hộp. Tô Việt Dũng – Đỗ Quang Minh – Ngô Xuân Trường – Lớp 58CĐB19 15 Nghiên cứu phân tích kết cấu cầu thi công theo phương pháp đúc hẫng dựa trên phần mềm phân tích kết cấu Midas/Civil c. Xe đúc hẫng đặt trên kiểu dàn hình thoi. d. Xe đúc hẫng trên, kiểu dàn tam giác. Hình 1.6. Xe đúc 1.3. Phương hướng nghiên cứu Phân tích nghiên cứu kết cấu cầu thi công theo phương pháp đúc hẫng đã có khá nhiều tác giả nghiên cứu về vấn đề này như: Công nghệ đúc hẫng cầu bê tông cốt thép, Nguyễn Viết Trung (2004)... Đề tài nghiên cứu một vấn đề cơ bản nảy sinh trong thực tế thiết kế kết cấu cầu thi công theo phương pháp đúc hẫng. Việc hình thành kết cấu theo các giai đoạn khác nhau (đúc hẫng theo từng đốt rồi hợp long theo các giai đoạn) dẫn đến tuổi của các đốt bê tông là các nhau nên tính chất về vật liệu theo thời gian phải được xét đến, hơn nữa một vấn đề rất quan trọng trong thi công đặt ra là khi đúc hẫng, cao độ của kết cấu nhịp phải đảm bảo để có thể hợp long cũng như đảm bảo trắc dọc cầu đúng như thiết kế. Hiện nay cũng đã có một số đề tài nghiên cứu về vấn đề này, nhưng đi theo các hướng khác nhau. Các công ty tư vấn thiết kế cũng đã sử dụng một số phần mềm phân tích kết cấu để giải quyết vấn đề này như Tổng công ty tư vấn thiết kế giao thông vận tải có sử dụng phần mềm RM2000 (Cộng hòa Áo). Midas/Civil là một phần mềm phân tích kết cấu của Hàn Quốc có nhiều điểm rất ưu việt như tính chính xác, thao tác nhanh, dễ sử dụng, khả năng mô hình hóa cao... Việc sử dụng Midas trong phân tích kết cấu thi công theo các giai đoạn ở ta chưa được nhiều. Cho nên mục đích của đề tài này là làm rõ lý thuyết nghiên cứu kết cấu thi công phương pháp đúc hẫng, phân tích kết cấu dưới tác dụng của tải trọng có xét đến sự thay đổi của cường độ, mô đun đàn hồi theo thời gian, hiện tượng co ngót từ biến của bê tông và dùng phần mềm Midas/Civil để thử nghiệm. Tô Việt Dũng – Đỗ Quang Minh – Ngô Xuân Trường – Lớp 58CĐB19 16 Nghiên cứu phân tích kết cấu cầu thi công theo phương pháp đúc hẫng dựa trên phần mềm phân tích kết cấu Midas/Civil CHƯƠNG 2: CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN NỘI LỰC, CHUYỂN VỊ KẾT CẤU VÀ PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN KẾT CẤU CẦU THI CÔNG THEO PHƯƠNG PHÁP ĐÚC HẪNG Nội lực và độ võng trong kết cấu đúc hẫng cân bằng phát sinh dưới tác dụng của quá trình đúc các đốt dầm và căng cáp DƯL tại các thời điểm khác nhau. Do đó cần phải xác định một cách chính xác độ võng của đầu mút thừa qua từng giai đoạn thi công và sử dụng giá trị độ võng này để tính toán giá trị tạo độ vồng trước. Trong suốt quá trình thi công đúc hẫng, độ võng của phần hẫng sinh ra do các yếu tô sau:  Trọng lượng bản thân đốt đúc  Tải trọng thi công: xe đúc, ván khuôn, thiết bị thi công…  Lực căng cáp DƯL. Sau khi hợp long , độ võng vẫn tiếp tục phát triển dưới tác dụng của tĩnh tải phần II, hoạt tải và sự chùng cốt thép ứng suất trước. Việc tính toán độ võng của dầm trong giai đoạn thi công hay ở trạng thái sử dụng đều phải kể đến ảnh hưởng của co ngót, từ biến. Dưới ảnh hưởng của co ngót, từ biển dầm vẫn tiếp tục bị võng (thông thường tại vị trí mối nối). Do đó cũng cần phải tính toán độ võng này và bù lại bằng độ vồng trong quá trình thi công. Do kết cấu thi công phân đoạn nên từng đốt đúc sẽ có modun biến dạng khác nhau và thay đổi theo thời gian. Modun biến dạng này phụ thuộc vào tuổi của bê tông tại thời điểm đặt tải và thời điểm xét biến dạng. Hình 2.1. Độ võng phần cánh hẫng Hình 2.2. Độ võng khi tạo được độ vồng trước Tô Việt Dũng – Đỗ Quang Minh – Ngô Xuân Trường – Lớp 58CĐB19 17