Tài liệu Analysis stability of composite steel box girder bridge during construction

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HỒ DUY LONG PHÂN TÍCH SỰ MẤT ỔN ĐỊNH DẦM HỘP THÉP LIÊN HỢP TRONG QUÁ TRÌNH THI CÔNG ANALYSIS STABILITY OF COMPOSITE STEEL BOX GIRDER BRIDGE DURING CONSTRUCTION Chuyên nghành: Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông Mã số: 60580205 LUẬN VĂN THẠC SĨ Thành phố Hồ Chí Minh, năm 2019 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: HỒ DUY LONG MSHV: 1770397 Ngày, tháng, năm sinh: 14/11/1994 Nơi sinh: Bến Tre Chuyên ngành: Kỹ Thuật Xây Dựng Công Trình Giao Thông Mã số : 60580205 I. TÊN ĐỀ TÀI: PHÂN TÍCH SỰ MẤT ỔN ĐỊNH DẦM HỘP THÉP LIÊN HỢP TRONG QUÁ TRÌNH THI CÔNG. II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Nội dụng thực hiện nhiệm vụ cụ thể của luận văn như sau : 1. Khảo sát khoảng cách của hệ giằng trong và các sườn tăng cường đến việc mất ổn định của dầm hộp thép vách đứng chịu tải trọng đứng. 2. Sử dụng kết cấu nhịp chính cầu Chà Là để tiến hành phân tích bằng cách thay đổi khoảng cách hệ giằng và các sườn tăng cường. Tiến hành mô phỏng và phân tích phi tuyến bằng phần mềm ABAQUS/CAE để tìm ra tải trọng phá hoại dầm theo đường cong Arch lengthLoad proportionality factor. 3. So sánh với tải trọng trong quá trình thi công để khảo sát khoảng cách hệ giằng ảnh hưởng đến việc mất ổn định dầm, cũng như phân tích chi tiết ứng suất, biến dạng phát triển trong từng trường hợp bao gồm hình dạng chuyển vị (mất ổn định tổng thể, ứng suất tại gối, ứng suất hệ giằng, các vị trí mất ổn định cục bộ). III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: Ngày 11 tháng 02 năm 2019 IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: Ngày 02 tháng 06 năm 2019 V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. NGUYỄN CẢNH TUẤN Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua. Tp. HCM, ngày………tháng 05 năm 2020 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Họ tên và chữ ký) CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO (Họ tên và chữ ký) TS. Nguyễn Cảnh Tuấn PGS.TS. Nguyễn Mạnh Tuấn TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG (Họ tên và chữ ký) TS. Lê Anh Tuấn LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên em xin cảm ơn Ban lãnh đạo trường ĐH Bách Khoa cùng các Thầy giáo, Cô giáo trong bộ môn Cầu – Đường đã tạo điều kiện tốt nhất cho em có thể hoàn thành Luận văn. Xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy Nguyễn Cảnh Tuấn đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ em trong suốt quá trình làm luận văn. Xin gửi lời cảm ơn đến thầy Lê Anh Thắng và thầy Huỳnh Ngọc Thi đã dành thời gian chấm phản biện cho luận văn. Xin gửi lời cảm ơn đến quý thầy cô tại hội đồng đã nhận xét, đánh giá giúp em hoàn thiện luận văn. Mặc dù rất cố gắng trong quá trình thực hiện luận văn nhưng vì kinh nghiệm và quỹ thời gian hạn chế nên không tránh khỏi sai sót. Em kính mong được sự chỉ dẫn thêm rất nhiều từ quý thầy cô. Em xin chân thành cảm ơn! Tp. Hồ Chí Minh, tháng 05 năm 2020 Học viên Hồ Duy Long LỜI CAM ĐOAN Tôi tên Hồ Duy Long, tôi xin cam đoan luận văn Thạc sĩ với đề tài “PHÂN TÍCH SỰ MẤT ỔN ĐỊNH DẦM HỘP THÉP LIÊN HỢP TRONG QUÁ TRÌNH THI CÔNG” là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi, các số liệu dùng trong luận văn là hoàn toàn trung thực. Các trích dẫn trong luận văn từ các nguồn tài liệu sách, báo mạng, tiêu chuẩn hiện hành đều được tôi ghi chép chi tiết nguồn trích dẫn và tên tác giả. Nếu có điều gì gian dối, tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm. TP. Hồ Chí Minh, tháng 05 năm 2020 Tác giả luận văn Hồ Duy Long Học viên cao học khóa 2017 Ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông Trường Đại học Bách Khoa Tp. Hồ Chí Minh CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. NGUYỄN CẢNH TUẤN ……………………………………………………………………………………………… Cán bộ chấm nhận xét 1: TS. LÊ ANH THẮNG ……………………………………………………………………………………………… Cán bộ chấm nhận xét 2: TS. HUỲNH NGỌC THI ……………………………………………………………………………………………… Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG TP.HCM ngày 24 tháng 08 năm 2019. Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) 1. TS. NGUYỄN MẠNH TUẤN 2. TS. LÊ BÁ KHÁNH 3. TS. LÊ VĂN PHÚC 4. TS. LÊ ANH THẮNG 5. TS. HUỲNH NGỌC THI Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận văn và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sao khi luận văn được sửa chữa (nếu có). CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA Phân tích sự mất ổn định dầm hộp thép trong quá trình thi công TÓM TẮT Một phần quan trọng khi thiết kế cầu dầm thép – BTCT liên hợp là kiểm toán độ ổn định của kết cầu dầm trong quá trình thi công. Đây là một phần tính toán qua trọng do dầm dễ bị oằn do xoắn ngang khi các hệ giằng hay sườn tăng cường không đảm bảo cũng như bề dày của bản cánh dầm là những yếu tố cần được kiểm tra. Nghiên cứu tập trung khảo sát khoảng cách của hệ giằng trong và các sườn tăng cường đến việc mất ổn định của dầm hộp thép vách đứng chịu tải trọng đứng. Trong phạm vi đề tài, tác giả chỉ khảo sát khoảng cách hệ giằng và các sườn tăng cường xem như là biến thay đổi theo tải trọng đứng. Các biến số còn lại như độ mảnh bản bụng, loại hệ giằng, tải trọng ngang…cũng ảnh hưởng đến sự mất ổn định của dầm. Tuy nhiên, để xác đinh các biến số khác và mối quan hệ của chúng không nằm trong đề tài do thời gian và giới hạn đối với đề tài luận văn. Nghiên cứu sử dụng kết cấu nhịp chính cầu Chà Là để tiến hành phân tích bằng cách thay đổi khoảng cách hệ giằng và các sườn tăng cường. Tiến hành mô phỏng và phân tích phi tuyến bằng phần mềm ABAQUS/CAE để tìm ra tải trọng phá hoại dầm theo đường cong Arch length-Load proportionality factor. Sau đó sẽ so sánh với tải trọng trong quá trình thi công để khảo sát khoảng cách hệ giằng ảnh hưởng đến việc mất ổn định dầm cũng như phân tích chi tiết ứng suất, biến dạng phát triển trong từng trường hợp bao gồm hình dạng chuyển vị (mất ổn định tổng thể, ứng suất tại gối, ứng suất hệ giằng, các vị trí mất ổn định cục bộ). Các trường hợp bố trí hệ giằng được mô phỏng với ba mô hình dầm đơn và một mô hình dầm đôi. So sánh kết quả và quan sát ứng suất-biến dạng của dầm khi mất ổn định xoắn ngang khi dầm chịu tải trọng thẳng đứng cũng như so sánh với kết quả tính toán lý thuyết để đưa ra kết luận và đề xuất. 2 Phân tích sự mất ổn định dầm hộp thép trong quá trình thi công ABSTRACT An important part when designing composite steel girder is to check the stability of the girder bridge during construction. This is an important calculation because the beams are easily twisted due to horizontal twisting when the bracing or stiffener are not guaranteed as well as the thickness of the beam plate is the factor to be checked. The study focused on surveying the distance of internal bracing and reinforced ribs to the instability of vertical steel box beams with vertical load. Within the scope of the topic, the author only surveyed the distance between bracing and reinforcing slopes as a variable changing according to the vertical load. The remaining variables such as the slender of web, the type of bracing, the horizontal load ... also affect the instability of the beam. However, to determine other variables and their relationship is not in the topic due to time and limitations on the thesis topic. Study using the main span structure of Cha La bridge to analyze by changing the distance between bracing and stiffener. Conducting simulation and nonlinear analysis using ABAQUS / CAE software to find destructive load beams Arch length-Load proportionality factor. It will then be compared with the load during construction to examine the bracing system affecting the instability of beams as well as detailed analysis of stresses and deformed developments in each case including transfer shape. taste (overall instability, knee stress, bracing stress, local instability positions). Cases of bracing are modeled with three single beam models and a double beam model. Comparing results and observing stress-deformation of beams when horizontal stability is unstable when beams are subjected to vertical load as well as compared with theoretical calculation results to make conclusions and suggestions. 3 Phân tích sự mất ổn định dầm hộp thép trong quá trình thi công MỤC LỤC TÓM TẮT ..................................................................................................................2 ABSTRACT ...............................................................................................................3 MỤC LỤC ..................................................................................................................4 DANH MỤC HÌNH ẢNH .........................................................................................7 DANH MỤC BẢNG BIỂU .....................................................................................10 Giới thiệu ..........................................................................................................11 1.1 Tổng quan .................................................................................................... 11 1.1.1 Thống kê các cầu bị sập do mất ổn định trong quá trình thi công ........11 1.1.2 Các kết quả nghiên cứu về mất ổn định dầm thép ................................14 1.2 Đề tài nghiên cứu ......................................................................................... 15 1.2.1 Mục đích nghiên cứu ............................................................................15 1.2.2 Phương pháp nghiên cứu ......................................................................15 1.2.3 Phạm vi nghiên cứu ..............................................................................16 Cơ sở lý thuyết..................................................................................................17 2.1 Lý thuyết biến dạng dẻo kim loại ................................................................ 17 2.1.1 Khái quát về quá trình biến dạng ..........................................................17 2.1.2 Phân loại các phương pháp biến dạng ..................................................19 2.1.3 Những vấn đề cần xem xét khi nghiên cứu quá trình biến dạng ..........20 2.2 Quan hệ ứng suất – biến dạng trong biến dạng dẻo .................................... 21 2.3 Tiêu chuẩn chảy dẻo Von-Mises ................................................................. 24 2.4 Tính chất cơ lý của thép............................................................................... 25 2.4.1 Tính chất chịu kéo của thép ..................................................................25 2.4.2 Các miền biến dạng...............................................................................26 2.4.3 Điểm chảy, cường độ chảy và cường độ chịu kéo ................................26 2.4.4 Tính dẻo ................................................................................................27 2.4.5 Tỷ số Poisson ........................................................................................27 2.4.6 Tính chất chịu cắt của thép ...................................................................27 2.4.7 Ứng suất dư ...........................................................................................28 2.5 Lý thuyết tính toán ổn định dầm thép .......................................................... 28 2.5.1 Ổn định tổng thể ...................................................................................28 2.5.2 Ổn định cục bộ ......................................................................................29 Phương pháp nghiên cứu ................................................................................32 3.1 Cầu Chà Là .................................................................................................. 32 3.1.1 Kết cấu nhịp chính ................................................................................32 3.1.2 Bản mặt cầu ..........................................................................................33 3.1.3 Vách tại gối ...........................................................................................33 3.1.4 Hệ giằng trong ......................................................................................33 4 Phân tích sự mất ổn định dầm hộp thép trong quá trình thi công 3.1.5 Hệ giằng ngoài ......................................................................................33 3.1.6 Sườn tăng cường đứng ..........................................................................33 3.1.7 Sườn tăng cường dọc ............................................................................33 3.2 Tải trọng thi công ........................................................................................ 34 3.2.1 Tải trọng bê tông ướt bản mặt cầu ........................................................34 3.2.2 Tải trọng ván khuôn bản mặt cầu .........................................................34 3.2.3 Tải trọng đổ và đầm rung bê tông ướt ..................................................34 3.2.4 Tải trọng người và thiết bị thi công ......................................................34 3.3 Cấu tạo hình học mặt cắt dầm hộp vách đứng ............................................. 35 3.3.1 Moment chảy và moment dẻo ...............................................................35 3.3.2 Sức kháng mất ổn định uốn ngang và xoắn ..........................................36 3.4 Mô hình phân tích phần tử hữu hạn ............................................................. 37 3.4.1 Mô hình kết cấu thép ............................................................................38 3.4.2 Định nghĩa vật liệu ................................................................................39 3.4.3 Định nghĩa thuộc tính mặt cắt ...............................................................39 3.4.4 Chia lưới phần tử ..................................................................................40 3.4.5 Thiết lập bước phân tích .......................................................................40 3.4.6 Điều kiện biên và tải trọng ....................................................................40 3.4.7 Công tác phân tích ................................................................................41 3.4.8 Mô hình 1 ..............................................................................................42 3.4.9 Mô hình 2 ..............................................................................................42 3.4.10 Mô hình 3 ..........................................................................................43 3.4.11 Mô hình 4 ..........................................................................................43 Kết quả phân tích .............................................................................................46 4.1 Mô hình 1 ..................................................................................................... 46 4.1.1 Mô hình tham chiếu ..............................................................................46 4.1.2 Mô hình phi tuyến .................................................................................47 4.1.3 Tính toán tải trọng phá hoại ..................................................................56 4.1.4 Tổng hợp nhận xét ................................................................................58 4.2 Mô hình 2 ..................................................................................................... 59 4.2.1 Mô hình tham chiếu ..............................................................................59 4.2.2 Mô hình phi tuyến .................................................................................60 4.2.3 Tính toán tải trọng phá hoại ..................................................................69 4.2.4 Tổng hợp nhận xét ................................................................................71 4.3 Mô hình 3 ..................................................................................................... 72 4.3.1 Mô hình tham chiếu ..............................................................................72 4.3.2 Mô hình phi tuyến .................................................................................73 4.3.3 Tính toán tải trọng phá hoại ..................................................................82 4.3.4 Tổng hợp nhận xét ................................................................................84 4.4 Mô hình 4 ..................................................................................................... 85 4.4.1 Mô hình tham chiếu ..............................................................................85 4.4.2 Mô hình phi tuyến .................................................................................87 4.4.3 Tính toán tải trọng phá hoại ..................................................................95 4.4.4 Tổng hợp nhận xét ................................................................................97 4.5 So sánh các trường hợp phân tích ................................................................ 98 5 Phân tích sự mất ổn định dầm hộp thép trong quá trình thi công 4.5.1 4.5.2 Tổng hợp kết quả các mô hình ..............................................................98 So sánh kết quả PTHH với kết quả lý thuyết ......................................100 Kết luận ...........................................................................................................102 TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................103 PHỤ LỤC A ...........................................................................................................104 PHỤ LỤC B ...........................................................................................................116 PHỤ LỤC C ...........................................................................................................129 PHỤ LỤC D ...........................................................................................................131 6 Phân tích sự mất ổn định dầm hộp thép trong quá trình thi công DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 2.1 - Không gian ứng suất chính von Mises và Tresca ....................................24 Hình 2.2 - Ứng suất phẳng von Mises và Tresca ......................................................25 Hình 2.3 - Quan hệ ứng suất và biến dạng điển hình của thép .................................26 Hình 2.4 - Hình dạng mất ổn định tổng thế dầm hộp thép ........................................29 Hình 3.1 – Biều đồ quan hệ sức kháng mất ổng định xoắn ngang và khoảng cách không giằng ...............................................................................................................37 Hình 3.2 - Bước phân tích mất ổn định phi tuyến bằng phần mếm ABAQUS/CAE38 Hình 3.3 - Mô hình 1 .................................................................................................42 Hình 3.4 - Mô hình 2 .................................................................................................43 Hình 3.5 - Mô hình 3 .................................................................................................43 Hình 3.6 – Sơ đồ bố trí gối hệ hai dầm .....................................................................44 Hình 3.7 - Mô hình 4 .................................................................................................45 Hình 4.1 - Ứng suất mô hình tham chiếu 1 ...............................................................46 Hình 4.2 - Chuyển vị tổng thể mô hình tham chiếu 1 ...............................................46 Hình 4.3 - Chuyển vị ngang mô hình tham chiếu 1 ..................................................47 Hình 4.4 – Chuyển vị tổng thể lớn nhất ....................................................................48 Hình 4.5 – Chuyển vị ngang lớn nhất .......................................................................48 Hình 4.6 – Ứng suất lớn nhất ....................................................................................49 Hình 4.7 – Chi tiết vị trí phá hoại..............................................................................49 Hình 4.8 - Ứng suất khi đạt tải trọng phá hoại mô hình phi tuyến 1 ........................50 Hình 4.9 - Chuyển vị tổng thể khi đạt tải trọng phá hoại mô hình phi tuyến 1 ........50 Hình 4.10 - Chuyển vị ngang khi đạt tải trọng phá hoại mô hình phi tuyến 1..........51 Hình 4.11 - Ứng suất tại vị trí gối cố định mô hình 1 ...............................................52 Hình 4.12 - Ứng suất tại vị trí gối di động mô hình 1 ...............................................52 Hình 4.13 - Ứng suất vách ngăn tại vị trí gối cố định mô hình 1 .............................53 Hình 4.14 - Ứng suất vách ngăn tại vị trí gối di động mô hình 1 .............................54 Hình 4.15 - Ứng suất hệ giằng mô hình 1 .................................................................55 Hình 4.16 - Ứng suất sườn tăng cường đứng mô hình 1 ...........................................55 Hình 4.17 - Ứng suất sườn tăng cường dọc mô hình 1 .............................................56 Hình 4.18 – Biểu đồ quan hệ tải trọng-chuyển vị mô hình 1 ....................................57 Hình 4.19 – Biểu đồ quan hệ moment-chuyển vị mô hình 1 ....................................58 Hình 4.20 - Ứng suất mô hình tham chiếu 2 .............................................................59 7 Phân tích sự mất ổn định dầm hộp thép trong quá trình thi công Hình 4.21 - Chuyển vị tổng thể mô hình tham chiếu 2 .............................................60 Hình 4.22 - Chuyển vị ngang mô hình tham chiếu 2 ................................................60 Hình 4.23 – Chuyển vị tổng thể lớn nhất ..................................................................61 Hình 4.24 – Chuyển vị ngang lớn nhất .....................................................................61 Hình 4.25 – Ứng suất lớn nhất ..................................................................................62 Hình 4.26 – Chi tiết vị trí phá hoại............................................................................62 Hình 4.27 - Ứng suất khi đạt tải trọng phá hoại mô hình phi tuyến 2 ......................63 Hình 4.28 - Chuyển vị tổng thể khi đạt tải trọng phá hoại mô hình phi tuyến 2 ......63 Hình 4.29 - Chuyển vị ngang khi đạt tải trọng phá hoại mô hình phi tuyến 2..........64 Hình 4.30 - Ứng suất tại vị trí gối cố định mô hình 2 ...............................................65 Hình 4.31 - Ứng suất tại vị trí gối di động mô hình 2 ...............................................65 Hình 4.32 - Ứng suất vách ngăn tại vị trí gối cố định mô hình 2 .............................66 Hình 4.33 - Ứng suất vách ngăn tại vị trí gối di động mô hình 2 .............................67 Hình 4.34 - Ứng suất hệ giằng mô hình 2 .................................................................68 Hình 4.35 - Ứng suất sườn tăng cường đứng mô hình 2 ...........................................68 Hình 4.36 - Ứng suất sườn tăng cường dọc mô hình 2 .............................................69 Hình 4.37 – Biểu đồ quan hệ tải trọng-chuyển vị mô hình 2 ....................................70 Hình 4.38 – Biểu đồ quan hệ moment-chuyển vị mô hình 2 ....................................71 Hình 4.39 - Ứng suất mô hình tham chiếu 3 .............................................................72 Hình 4.40 - Chuyển vị tổng thể mô hình tham chiếu 3 .............................................73 Hình 4.41 - Chuyển vị ngang mô hình tham chiếu 3 ................................................73 Hình 4.42 – Chuyển vị tổng thể lớn nhất ..................................................................74 Hình 4.43 – Chuyển vị ngang lớn nhất .....................................................................74 Hình 4.44 – Ứng suất lớn nhất ..................................................................................75 Hình 4.45 – Chi tiết vị trí phá hoại............................................................................75 Hình 4.46 - Ứng suất khi đạt tải trọng phá hoại mô hình phi tuyến 3 ......................76 Hình 4.47 - Chuyển vị tổng thể khi đạt tải trọng phá hoại mô hình phi tuyến 3 ......76 Hình 4.48 - Chuyển vị ngang khi đạt tải trọng phá hoại mô hình phi tuyến 3..........77 Hình 4.49 - Ứng suất tại vị trí gối cố định mô hình 3 ...............................................78 Hình 4.50 - Ứng suất tại vị trí gối di động mô hình 3 ...............................................78 Hình 4.51 - Ứng suất vách ngăn tại vị trí gối cố định mô hình 3 .............................79 Hình 4.52 - Ứng suất vách ngăn tại vị trí gối di động mô hình 3 .............................80 Hình 4.53 - Ứng suất hệ giằng mô hình 3 .................................................................81 8 Phân tích sự mất ổn định dầm hộp thép trong quá trình thi công Hình 4.54 - Ứng suất sườn tăng cường đứng mô hình 3 ...........................................81 Hình 4.55 - Ứng suất sườn tăng cường dọc mô hình 3 .............................................82 Hình 4.56 – Biều đồ quan hệ tải trọng-chuyển vị mô hình 3 ....................................83 Hình 4.57 – Biểu đồ quan hệ moment-chuyển vị mô hình 3 ....................................84 Hình 4.58 - Ứng suất mô hình tham chiếu 4 .............................................................85 Hình 4.59 - Chuyển vị tổng thể mô hình tham chiếu 4 .............................................86 Hình 4.60 - Chuyển vị ngang mô hình tham chiếu 4 ................................................86 Hình 4.61 – Chuyển vị tổng thể lớn nhất ..................................................................87 Hình 4.62 – Chuyển vị ngang lớn nhất .....................................................................88 Hình 4.63 – Ứng suất lớn nhất ..................................................................................88 Hình 4.64 - Ứng suất tại vị trí gối cố định mô hình 3 ...............................................89 Hình 4.65 - Ứng suất tại vị trí gối di động song hướng mô hình 3 ...........................90 Hình 4.66 - Ứng suất tại vị trí gối di động đơn hướng (phương ngang cầu) mô hình 4 .................................................................................................................................90 Hình 4.67 - Ứng suất tại vị trí gối di động song hướng (phương dọc cầu) mô hình 4 ...................................................................................................................................91 Hình 4.68 - Ứng suất vách ngăn tại vị trí gối cố định mô hình 4 .............................92 Hình 4.69 - Ứng suất vách ngăn tại vị trí gối di động song hướng mô hình 4 .........92 Hình 4.70 - Ứng suất vách ngăn tại vị trí gối di động song hướng (phương ngang cầu) mô hình 4 ...........................................................................................................93 Hình 4.71 - Ứng suất vách ngăn tại vị trí gối di động song hướng (phương dọc cầu) mô hình 4 ...................................................................................................................93 Hình 4.72 - Ứng suất hệ giằng mô hình 4 .................................................................94 Hình 4.73 - Ứng suất sườn tăng cường đứng mô hình 4 ...........................................95 Hình 4.74 - Ứng suất sườn tăng cường dọc mô hình 4 .............................................95 Hình 4.75 – Biểu đồ quan hệ tải trọng-chuyển vị mô hình 4 ....................................96 Hình 4.76 – Biểu đồ quan hệ moment-chuyển vị mô hình 4 ....................................97 Hình 4.77- Biểu đồ tổng hợp đường cong quan hệ tải trọng phá hoại-chuyển vị của ba mô hình giằng .......................................................................................................99 Hình 4.78 - Biểu đồ tổng hợp đường cong quan hệ tải trọng phá hoại-chuyển vị của ba mô hình giằng .......................................................................................................99 Hình 4.79 – So sánh kết quả PTHH và lý thuyết tính theo AASTHO ....................100 9 Phân tích sự mất ổn định dầm hộp thép trong quá trình thi công DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 3-1 – Đặc trưng hình học tiết diện dầm hộp vách đứng ..................................36 Bảng 3-2 – Sức kháng mất ổn định xoắn ngang theo AASHTO ..............................37 Bảng 3-3 – Thông số vật liệu thép ............................................................................39 Bảng 4-1 – Tổng hợp kết quả các mô hình phân tích ...............................................98 Bảng 4-2 – Quan hệ moment phá hoại và chiều dài không giằng ..........................100 10 Phân tích sự mất ổn định dầm hộp thép trong quá trình thi công Giới thiệu Thép là loại vật liệu với nhiều ưu điểm được sử dụng rất rộng rãi trong xây dựng kết cấu hạ tầng giao thông. Thép cung cấp nhiều lợi thế trong việc xây dựng cầu bởi những tính năng ưu việt như cường độ cao, thời gian thi công nhanh, tính linh động cao, dễ duy tu bảo dưỡng, có thể tái sử dụng và tuổi thọ dài[1]. Kết cấu cầu thép – BTCT liên hợp ngày càng được ứng dụng rộng rãi tại Việt Nam cho nhiều loại công trình giao thông trong đô thị, nông thôn và các công trình cầu vượt nhịp lớn do phát huy tối đa độ bền kéo của thép và cường độ nén của bê tông. Bên cạnh những ưu điểm, cầu thép – bê tông cốt thép liên hợp vẫn còn một số hạn chế cần nghiên cứu và cải tiến. Phân tích kết cầu cầu thép hiện tại trong những năm gần đây nsổi bật các phương hướng chính sau: - Phương hướng thứ nhất là sử dụng các loại thép chất lượng cao nhằm giảm giá thành công tác duy tu bão dưỡng cầu trong quá trình khai thác; - Phương hướng thứ hai là tiếp tục nghiên cứu các loại kết cấu liên hợp vượt nhịp lớn và tính thẩm mỹ cao; - Phương hướng thứ ba là giảm chi phí chế tạo và xây dựng; - Phương hướng thứ tư là phân tích các nguyên nhân hư hỏng của cầu thép nhằm đưa ra các giải pháp cải tiến thiết kế cầu thép. Một phần quan trọng khi thiết kế cầu dầm thép – BTCT liên hợp là kiểm toán độ ổn định của kết cầu dầm trong quá trình thi công. Đây là một phần tính toán qua trọng do dầm dễ bị oằn do xoắn ngang khi các hệ giằng hay sườn tăng cường không đảm bảo cũng như bề dày của bản cánh dầm là những yếu tố cần được kiểm tra[2]. 1.1 Tổng quan 1.1.1 Thống kê các cầu bị sập do mất ổn định trong quá trình thi công Sự cố trong quá trình thi công cầu thường liên quan đến nhiều vấn đề, có thể kể đến như việc mất ổn định tổng thể kết cấu, hệ ván khuôn, đà giáo thi công… đều dẫn đến các hậu quả nghiêm trọng. Trong nhiều thập niên gần đây, nhiều cầu thép bị sập dẫn đến thương vong lớn. Chi phí xây dựng lớn và số lượng nhân lực thi công một cây cầu đòi hỏi sự an toàn phải đặt lên hàng đầu. Các vụ sập cầu trong lịch sử là một sự 11 Phân tích sự mất ổn định dầm hộp thép trong quá trình thi công nhắc nhở người kỹ sư thiết kế phải thận trọng trong cả quá trình thiết kế và thi công. Sau đây là thống kê các cầu đã sập khi bị mất ổn định trong quá trình thi công: - Cầu giàn thép ở Thụy Điển kết nối Rykon và Zell, tổng chiều dài cầu là 21m xảy ra năm 1883, nguyên nhân do mất ổn định bản cánh trên khi không đủ độ cứng khi chịu uốn ngang, một người chết; - Cầu Mountain Bridge ở Áo xảy ra năm 1891, tổng chiều dài cầu là 28m, nguyên nhân do sự mất ổn định các cấu kiện chịu nén khi chịu uốn ngang; - Cầu Cannich ở Scotland xảy ra năm 1892, tổng chiều dài cầu là 40m, nguyên nhân do mất ổn định cánh trên khi chịu uốn ngang; - Cầu giàn thép bắt qua song Morava gần Ljubicevo ở Serbia xảy ra năm 1892, tổng chiều dài cầu là 85m, nguyên nhân do mất ổn định cánh trên chịu nén; - Cầu qua sông St. Lawrence gần Quebec ở Canada xảy ra năm 1907, tổng chiều dài cầu 853m, nhịp chính dài 550m, nguyên nhân do mất ổn định bản cánh dưới ở giữa nhịp, 74 người chết; - Cầu giàn thép 6 nhịp gần Ohio Falls ở Mississippi, Mỹ, tổng chiuề dài cầu là 554m xảy ra năm 1927, nguyên nhân do mất ổn định hệ giằng, 1 người chết; - Cầu 5 nhịp dầm I-twins gần Kaiserslautern bắt qua thung lụng Lauterbach ở Đức xảy ra năm 1954, tổng chiều dài cầu là 272m, nguyên nhân do tải lệch tâm trong quá trình thi công gây mất ổn định ngang bản cánh dưới và do tải trọng khi căng cáp dự ứng lực bản mặt cầu sau. Thiết kế không bố trí giằng bản cánh dưới tại vị trí gối; - Cầu The Fourth Danube ở Vienna xảy ra tháng 11 năm 1969, cầu dập hộp 3 nhịp, gồm 2 dầm với tổng chiều dài 412m, bề rộng cầu 32m, cao 5m. Nguyên nhân được xác định do thiết kế bề dày bản cánh trên 15mm không đảm bảo ổn định khi chịu nén; - Cầu Cleddau ở Wales, Anh xả ra tháng 6 năm 1970, cầu 7 nhịp dầm họp thép vách xiên, tổng chiều dài cầu 819m, nguyên nhân do mất ổn định tại vị trí gối, 4 người chết; 12 Phân tích sự mất ổn định dầm hộp thép trong quá trình thi công - Cầu The West Gate qua song Yarra ở Melbourne, Úc xảy ra tháng 10 năm 1970, tổng chiều dài cầu 848m với 5 nhịp sử dụng dầm hộp thép 3 vách, nguyên nhân do mất ổn định tại giữa dầm. 55 công nhân chết khi đang làm việc bên trong dầm; - Cầu Storm qua sông Rhine xảy ra năm 1971 ở Đức, tổng chiều dài cầu 442m, nguyên nhân do mất ổn định bản cánh dưới do thiếu sườn tăng cường nhằm tăng độ cứng khi chịu nén, 13 người chết; - Cầu Zeulenroda qua Weida Reservoir ở Đức xảy ra năm 1973, tổng chiuề dài cầu 362m gồm 6 nhịp với dầm thép hộp vách xiên, nguyên nhân do đoạn hẫng nhịp thứ 2 dài 31.5m bị mất ổn định bản cánh dưới, 4 người chết; - Cầu Bramsche qua Mittelland Canal ở Đức năm 1974, cầu dầm hộp thép với tổng chiều dài cầu 60m, nguyên nhân do bản cánh trên chuyển vị ngang lớn khi đang đổ bê tông bản mặt cầu. 1 người chết; - Cầu Syracuse ở New York, Mỹ xảy ra năm 1982, tổng chiều dài cầu 670m với nhịp thép dài 97m bị sập khi chịu tải lệch tâm khi thi công do hệ giằng không đủ độ cứng, 1 người chết; - Cầu Dedensen qua Mittelland Canal ở Đức năm 1982 sập do mất ổn định xoắn ngang; - Cầu Astram trên đường sắt đô thị ở Hiroshima, Nhật Bản nam9 1991, cầu nhịp giản đơn chịu tổng tải khi thi công là 43 tấn sập do vấn đề ổn định, 14 người chết. - Cầu The State Route 69 qua sông Tennessee, Mỹ xảy ra tháng 5 năm 1995, cầu 3 dầm I tổng chiều dài 367m gồm 3 nhịp, nguyên nhân do mất ổn định không thiết kế hệ giằng ngang cho bản cánh trên, 1 người chết; - Cầu Harrisburg ở Pennsylvania, Mỹ xảy ra năm 1996, cầu dầm thép chịu tổng tải thi công 50 tấn bị đổ sập do việc giảm hệ giằng ngang trong thiết kế; - Cầu Y1504 ở Thụy Điển xả ra tháng 6 năm 2002, cầu dầm hộp thép với tổng chiều dài 65m bị mất ổn định xoắn ngang khi đang thi công đổ bê tông mặt cầu; 13 Phân tích sự mất ổn định dầm hộp thép trong quá trình thi công - Cầu Interstate 70 ở Denver xảy ra năm 2004, cầu dầm thép I nhịp giản đơn chiều dài 30m chịu tải 40 tấn, nguyên nhân do liên kết bu long liên kết dầm thép và bản mặt cầu không đảm bảo, 3 người chết; - Cầu Minneapolis I-35W qua sông Mississippi ở Minnesota, Mỹ xảy ra ngày 1 tháng 8 năm 2007, cầu vòm thép với tổng chiều dài 580m đổ sập do việc tăng cường thiết bị thi công cũng như tải trọng bê tông ướt khi đổ bê tông mặt cầu, 3 người chết; - Cầu 102nd Avenue qua đường Groat ở Canada xảy ra năm 2015, cầu gồm 7 dầm thép I, nguyên nhân hệ giằng của hệ ván khuôn thi công không đảm bảo ổn đĩnh cho quá trình đổ bê tông mặt cầu; - Cầu Sigiri qua sông Nzoia, Budalangi, Busia ở Kenya sập ngày 26 tháng 6 năm 2017, cầu dầm thép I liên hợp gồm 3 nhịp , sự cố xảy ra khi thi công đổ bê tông bản mặt cầu đến nhịp thứ giữa. 1.1.2 - Các kết quả nghiên cứu về mất ổn định dầm thép Ứng xử mất ổn định dầm thép U[4]: + Độ cứng chống xoắn của hệ giằng phụ thuộc vào bề dày và bề rộng của bản cánh dưới dầm. Phân tích phi tuyến khi tăng độ cứng hệ giằng thì vị trí đầu tiên mất ổn định của dầm U có dạng đa sóng. + Sức kháng mất ổn định bị giảm đáng kể do biến dạng xoắn của bản bụng. Sức kháng được tăng lên đáng kể khi tăng độ cứng theo phương ngang. Việc tăng độ cứng theo phương ngang dẫn đến sức kháng mất ổn định tăng 100%. + Dầm hộp vách xiên có sức kháng mất ổn định kém hơn dầm hộp vách đứng cùng kích thước khoảng 8.5%. +Việc phân tích biến dạng lớn cho thấy dầm U có các vị trí mất ổn định lớn hơn tại các vị trí có chuyển vị ngang lớn. - Hệ giằng dầm hộp thép liên hợp trong quá trình thi công bản mặt cầu[5]: + Cường độ chịu uốn của dầm tăng lên khi bổ sung thêm hệ giằng trên ở khoảng 1020% chiều dài nhịp gần gối. Hệ giằng X với tiết diện nhỏ giúp tăng sức kháng uốn lên 28% đủ để dầm ổn định khi chịu xoắn ngang trong khi đổ bê tông mặt cầu. 14 Phân tích sự mất ổn định dầm hộp thép trong quá trình thi công + Việc phân tích tuyến tính mặt cắt ngang dầm không thể dự đoán được sự mất ổn định của dầm, sự thay đổi tính chất của mặt cắt ngang cần được phân tích một cách chính xác để kết luận. + Độ cứng của dầm cầu Marcy bị sập vẫn đủ khả năng chịu xoắn khi tiến hành phân tích tuyến tính, do đó cần phân tích phi tuyến để có kết quả chính xác. - Hệ giằng bản cánh chịu nén dầm thép[6]: + Chiều dài mất ổn định của cánh chịu nén là khoảng cách lớn nhất giữa hai điểm có giằng + Cần xem xét quan hệ giữa độ cứng của hệ giằng đến ảnh hưởng sự mất ổn định của dầm chịu nén. - Ảnh hưởng mất ổn định dầm ngang trong quá trình thi công dầm thép liên hợp[7]: + Các thiết kế hiện tại không an toàn và không dự đoán chính xác nội lực phát triển trong hệ giằng. + Tỷ số độ mảnh của dầm có ảnh hưởng đáng kể đến việc tính toán giá trị lực phá hoại hơn là lý thuyết tính toàn lực phá hoại phụ thuộc vào hệ giằng. + Uốn ngang và xoắn phát triển trong dầm ngang phụ thuộc vào hình dạng mất ổn định ban đầu. 1.2 Đề tài nghiên cứu 1.2.1 Mục đích nghiên cứu Nghiên cứu tập trung khảo sát khoảng cách của hệ giằng trong và các sườn tăng cường đến việc mất ổn định của dầm hộp thép vách đứng chịu tải trọng đứng. 1.2.2 Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu sử dụng kết cấu nhịp chính cầu Chà Là để tiến hành phân tích bằng cách thay đổi khoảng cách hệ giằng và các sườn tăng cường. Tiến hành mô phỏng và phân tích phi tuyến bằng phần mềm ABAQUS/CAE để tìm ra tải trọng phá hoại dầm theo đường cong Arch Length-Load factor. Sau đó sẽ so sánh với tải trọng trong quá trình thi công để tìm ra khoảng cách hệ giằng tối ưu cũng như phân tích chi tiết ứng suất, biến dạng phát triển trong từng trường hợp bao gồm hình dạng chuyển vị (mất ổn định tổng thể, ứng suất tại gối, ứng suất hệ giằng, các vị trí mất ổn định cục bộ). 15 Phân tích sự mất ổn định dầm hộp thép trong quá trình thi công 1.2.3 Phạm vi nghiên cứu Trong phạm vi đề tài, tác giả chỉ khảo sát khoảng cách hệ giằng và các sườn tăng cường xem như là biến thay đổi theo tải trọng đứng. Các biến số còn lại như độ mảnh bản bụng, loại hệ giằng, tải trọng ngang…cũng ảnh hưởng đến sự mất ổn định của dầm. Tuy nhiên, để xác đinh các biến số khác và mối quan hệ của chúng không nằm trong đề tài do thời gian và giới hạn đối với đề tài luận văn. 16