Nghiên cứu sức kháng của kết cấu dầm có bản bụng thép lượn sóng cho kết cấu cầu cong trong đô thị – Tác giả PGS. TS. Nguyễn Thị Tuyết Trinh – Ks. Lê Xuân Lượng

NGHIÊN CỨU SỨC KHÁNG CỦA KẾT CẤU DẦM CÓ BẢN BỤNG THÉP LƯỢN SÓNG CHO KẾT CẤU CẦU CONG TRONG ĐÔ THỊ

TÁC GIẢ PGS. TS. NGUYỄN THỊ TUYẾT TRINH – KS. LÊ XUÂN LƯỢNG

Hình 1.1: Cầu dầm hộp bản bụng thép lượn sóng

2. ĐẶC ĐIỂM SỨC KHÁNG CỦA KẾT CẤU DẦM CÓ BẢN BỤNG THÉP LƯỢN SÓNG

Các nghiên cứu cho thấy, dầm có bản bụng thép lượn sóng có nhiều ưu điểm so với dầm có bản bụng phẳng truyền thống về khả năng kháng cắt và kháng xoắn. Bản bụng thép lượn sóng không chịu lực dọc và mô-men uốn. Hiệu ứng này làm cho bản nắp và bản đáy được dự ứng lực hiệu quả hơn khi không còn sức kháng của bản bụng như đối với bản bụng dầm bê tông. Mặc dù tấm thép lượn sóng không chống lại được lực dọc trục và mô-men uốn nhưng có khả năng chịu cắt lớn. Điều đó có nghĩa là lượng cáp dự ứng lực cũng được giảm bớt. Nhờ phần bản bụng thép lượn sóng, kết cấu dầm như có thêm sườn tăng cường đứng, do đó sức kháng cắt của dầm được tăng lên. Nhờ những đặc điểm này, các tấm thép lượn sóng khá có ích cho bản bụng dầm bê tông dự ứng lực về khả năng chịu ứng suất, đặc biệt là khả năng kháng cắt và kháng xoắn cao.

Đối với sức kháng uốn, khi chịu phá hoại, mặt cắt của dầm có bản bụng thép lượn sóng sẽ có ứng xử tương tự như của dầm bê tông dự ứng lực truyền thống. Do đó, độ cứng dọc trục của bản bụng thép lượn sóng có thể được bỏ qua, chỉ có bản cánh bê tông trên và dưới được coi là chống lại lực dọc trục và mô-men uốn.

Hình 2.1: Biểu đồ ứng suất mặt cắt ngang dầm do lực dọc và mô-men uốn

       Đối với sức kháng cắt, các nghiên cứu cho thấy sức kháng cắt của dầm chủ yếu phụ thuộc vào chiều cao và độ dày của bản bụng thép lượn sóng. Lực cắt chủ yếu được kháng lại bởi bản bụng thép lượn sóng (Hình 2.2), do đó khi
thiết kế, giả định tất cả lực cắt đều do bản bụng thép lượn sóng chịu.

Hình 2.2: Biểu đồ ứng suất mặt cắt ngang dầm hộp do lực cắt

      Đối với kết cấu cầu cong, kết cấu dầm sẽ chịu ảnh hưởng của hiệu ứng xoắn do tải trọng lệch tâm hoặc thành phần lực nằm ngang của lực ly tâm. Vì vậy, cần lưu ý đến vấn đề này khi lựa chọn loại kết cấu dầm. So với dầm bê tông truyền thống, độ cứng ngoài mặt phẳng của bản bụng thép lượn sóng tương đối nhỏ. Khi mặt cắt biến dạng, nó sẽ làm giảm độ cứng mặt cắt hoặc tăng ứng suất cong vênh. Do đó, trên các cầu cong, dầm có bản bụng thép lượn sóng có thể cần đặt vách ngăn tại các khoảng hợp lý để hạn chế biến dạng của mặt cắt ngang hoặc đặt các hệ giằng ngang trong dầm. Khi sử dụng các vách ngăn, hệ giằng ngang được tăng cường, biến dạng của mặt cắt ngang hầu như sẽ được loại bỏ.

Hình 2.3: Các bộ phận cấu tạo trong dầm hộp bản bụng thép lượn sóng

3. PHÂN TÍCH SỨC KHÁNG CỦA DẦM CÓ BẢN BỤNG THÉP LƯỢN SÓNG CHO KẾT CẤU CẦU CONG QUA THIẾT KẾ THỬ NGHIỆM

Trên thế giới, để nghiên cứu các loại ứng xử như uốn, cắt hay xoắn… của dầm thép có bản bụng thép lượn sóng, thực tế các nghiên cứu đã dựa trên các thực nghiệm có tỷ lệ 1:2 hoặc lớn hơn. Bên cạnh việc tiến hành thực nghiệm, có thể sử dụng các mô hình phần tử hữu hạn thông qua các phần mềm như Midas 2019, RM Bridge V11i… để tính toán phân tích.

Sức kháng uốn và sức kháng cắt của dầm có bản bụng thép lượn sóng đã được khẳng định qua các nghiên cứu trước đây. Tuy nhiên, các nghiên cứu chỉ tập trung cho dầm nằm trên cầu thẳng. Vậy đối với các dầm nằm trên cầu cong, sức kháng uốn và sức kháng cắt của dầm có bản bụng thép lượn sóng có đảm bảo hay không? Tác giả tiến hành phân tích sức kháng uốn và sức kháng cắt của dầm nằm trên đường cong của một công trình thực tế. Đối với công trình này, thiết kế ban đầu sử dụng kết cấu dầm bản lỗ bê tông dự ứng lực truyền thống, thi công theo phương pháp đổ tại chỗ. Nghiên cứu này sẽ thay thế dầm bản lỗ bằng dầm bê tông dự ứng lực bản bụng thép lượn sóng. Phân tích sau đây dựa trên phần mềm RM Bridge V11.03 của hãng TDV.

3.1. Giới thiệu kết cấu cầu

Kết cấu nghiên cứu phân tích là kết cấu cầu trong đô thị, dành cho các xe thường lưu hành trong đô thị như xe buýt, xe ô tô, không dành cho các xe có tải trọng lớn. Kết cấu cầu nằm trên đường cong bằng có bán kính R = 50 m; Sơ đồ kết cấu nhịp: (30+2×36+5×37+30)m, trong đó chiều dài nhịp nằm trong đường cong là L = 37 m; bề rộng mặt cắt ngang B = 9 m.

Hình 3.1: Chính diện kết cấu cầu

Hình 3.2: Mặt bằng cầu

Hình 3.3: Mặt cắt ngang dầm hộp bản bụng thép lượn sóng

3.2. Tải trọng tác dụng

– Hoạt tải thiết kế: Hoạt tải thiết kế được lấy theo Tiêu chuẩn thiết kế TCVN 11823:2017, hoạt tải thiết kế HL93 bao gồm tổ hợp của: 0,5*xe tải thiết kế hoặc 0,5*xe hai trục thiết kế và tải trọng làn thiết kế.

– Lực ly tâm: Cầu nằm trong đường cong, do đó cần phải xem xét hiệu ứng do tải trọng lực ly tâm tác dụng. Với vận tốc thiết kế 40 km/h, bán kính cong nằm R = 50 m, lực ly tâm tác dụng có giá trị CE = 109,7 kN. Lực ly tâm nằm ngang cách mặt cầu một khoảng 1,8 m.

– Ảnh hưởng của nhiệt độ: Số liệu được theo Bảng 24 TCVN 11823:2017 thể hiện trong Bảng 3.1 và Bảng 3.2 như sau:

Bảng 3.1. Nhiệt độ trung bình năm tại khu vực cầu = 23,800C Loại kết cấu Thép Bê tông

Bảng 3.2. Nhiệt độ phân bố đều

3.3. Phân tích sức kháng của dầm có bản bụng thép lượn sóng

Mô hình kết cấu được chia làm hai giai đoạn của mặt cắt, bao gồm giai đoạn (1) là mặt cắt liên hợp LH1: Liên hợp giữa bản bê tông dưới và bản bụng thép lượn sóng; giai đoạn (2) là mặt cắt liên hợp LH2: Liên hợp giữa kết cấu liên hợp LH1 và bản bê tông trên. Trình tự phân tích như sau:

• Định nghĩa các tải trọng tác dụng trong các giai đoạn thi công và khai thác;
• Khai báo tải trọng theo Tiêu chuẩn TCVN 11823:2017;
• Tiến hành phân tích kết cấu;
• Kết quả mô-men, lực cắt và ứng suất tại các giai đoạn;
• Kiểm tra sức kháng uốn;
• Kiểm tra sức kháng cắt;
• Kiểm tra ứng suất tại các thớ của mặt cắt trong giai đoạn thi công và khai thác.

Mô hình, phân tích kết cấu bằng phần mềm RM Bridge V11.03, từ đó đưa ra các biểu đồ nội lực kết cấu và biểu đồ ứng suất tại các điểm ứng suất quy ước trên mặt cắt ngang.

Hình 3.4: Mô hình tổng thể kết cấu cầu

Hình 3.5: Quy ước các điểm đo ứng suất của sườn thép

Hình 3.6: Quy ước các điểm đo ứng suất của bản bê tông dưới

Hình 3.7: Quy ước các điểm đo ứng suất của bản bê tông trên

     * Phân tích kết quả tính toán:

– Kết quả nội lực của dầm được thể hiện qua biểu đồ mô-men và lực cắt ở Hình 3.8 và 3.9.

Hình 3.8: Biểu đồ mô-men ở trạng thái giới hạn cường độ

Hình 3.9: Biểu đồ lực cắt

      + Biểu đồ mô-men trên Hình 3.8 cho thấy, mô-men lớn nhất Mmax= 29.199,3 (kN.m) nhỏ hơn mô-men kháng uốn Mn =87.465,0 (kN.m).

+ Biểu đồ lực cắt trên Hình 3.9 cho thấy, lực cắt lớn nhất Vu =2.805,0 (kN) nhỏ hơn sức kháng cắt Vr =6.003,0 (kN).

– Kết quả ứng suất của dầm được thể hiện qua các biểu đồ ở Hình 3.10, 3.11, 3.12 và 3.13.

Hình 3.10: Biểu đồ ứng suất thép ở giai đoạn thi công xong cầu

Hình 3.11: Biểu đồ ứng suất thép ở trạng thái giới hạn sử dụng

     + Biểu đồ ứng suất thép ở giai đoạn thi công xong cầu trên Hình 3.10 cho thấy, ứng suất kéo lớn nhất smax= 85.000,6 (kN/m2 ) nhỏ hơn ứng suất kéo cho phép của thép sy = 207.000 (kN/m2).

+ Biểu đồ ứng suất thép ở trạng thái giới hạn sử dụng trên Hình 3.11 cho thấy, ứng suất kéo lớn nhất smax= 111.935,7 (kN/m2) nhỏ hơn ứng suất kéo cho phép của thép sy = 207.000 (kN/m2).

Hình 3.12: Biểu đồ ứng suất bản bê tông trên ở trạng thái giới hạn sử dụng

Hình 3.13: Biểu đồ ứng suất bản bê tông dưới ở trạng thái giới hạn sử dụng

     + Biểu đồ ứng suất bản bê tông trên ở trạng thái giới hạn sử dụng trên Hình 3.12 cho thấy, ứng suất lớn nhất smax= 3.169,6 (kN/m2) nhỏ hơn ứng suất kéo cho phép của bê tông σ= 3.350 (kN/m2).

+ Biểu đồ ứng suất bản bê tông dưới ở trạng thái giới hạn sử dụng trên Hình 3.13 cho thấy, ứng suất lớn nhất smax= 2.596,8 (kN/m2) nhỏ hơn ứng suất kéo cho phép của bê tông σ= 3.350 (kN/m2).

Đánh giá: Từ các kết quả tính toán thử nghiệm dầm hộp bản bụng thép lượn sóng cho kết cấu cầu cong cho
thấy loại kết cấu này đảm bảo khả năng chịu lực theo các trạng thái giới hạn cường độ và sử dụng ở cả giai đoạn thi công và khai thác.

4. KẾT LUẬN

Dầm có bản bụng thép lượn sóng là một kết cấu dầm cải tiến mới đã xuất hiện trong nhiều thập kỷ qua, đặc biệt là đối với cầu nhịp ngắn và trung bình. Kết cấu dầm mới này sử dụng kết hợp các tấm thép lượn sóng làm bản bụng với các tấm thép hoặc bê tông cốt thép, bê tông cốt thép dự ứng lực làm bản cánh. Các bản cánh cung cấp khả năng kháng uốn cho dầm mà không có sự đóng góp nào từ bản bụng thép lượn sóng. Trong khi đó, bản bụng thép lượn sóng sẽ chịu trạng thái ứng suất cắt thuần túy.

Bài báo tóm tắt kết quả phân tích khả năng kháng uốn và kháng cắt của kết cấu dầm hộp bản bụng thép lượn sóng trong kết cấu cầu cong theo Tiêu chuẩn TCVN 11823-2017. Kết quả tính toán thử nghiệm cho thấy, dầm hộp bản bụng thép lượn sóng đảm bảo khả năng chịu lực theo các trạng thái giới hạn cường độ và sử dụng.

Kết quả phân tích cho thấy, có thể ứng dụng kết cấu dầm hộp bản bụng thép lượn sóng cho kết cấu cầu cong
trong nút giao thông, đây là một giải pháp hợp lý, có tính thẩm mỹ cao, thời gian thi công nhanh và cơ giới hóa tốt,
quá trình thi công không ảnh hưởng đến giao thông và ít tác động đến môi trường.

Tuy nhiên, để khẳng định thêm khả năng ứng dụng của kết cấu này trong thực tế, đặc biệt ứng dụng cho kết cấu cầu cong trong đô thị, ngoài phân tích sức kháng tổng thể cần phân tích thêm sức kháng xoắn cũng như ứng xử cục bộ tại phần liên kết bản bụng thép với bản bê tông, liên kết tại khối đỉnh trụ, liên kết ngang…

      Lời cảm ơn: Nghiên cứu này được thực hiện thông qua Đề tài Luận văn Thạc sĩ “Nghiên cứu áp dụng kết cấu
dầm hộp bản bụng thép lượn sóng trong kết cấu cầu cong đô thị Việt Nam”, ngành Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông, chuyên sâu Công trình Giao thông đô thị do Trường Đại học GTVT quản lý.

CKJVN Xin cảm ơn tác giả PGS. TS. Nguyễn Thị Tuyết Trinh và cộng sự KS. Lê Xuân Lượng đã chia sẻ bài viết hay này đến đông đảo bạn đọc!

Tài liệu tham khảo
[1]. AASHTO LRFD Bridge Design Specifications 8th Edition, 2017.
[2]. Mohammad Amin Alikhanifard, Ali Reza Rahai
Tehrani (2022), A new shear strength model for steel corrugated web girders, Journal of Constructional Steel
Research, vol.197.
[3]. Richard Sause, Hassam H. Abbas, Wagdy G.Wassef, Robert G.Driver (2003), Mohamed Elgaaly: Corrugated web
girder shape and strength criteria, ATLSS Reports Page 245.
[4]. Tiêu chuẩn Thiết kế cầu đường bộ TCVN11823:2017.
[5]. Shoji Ikeda, M Sakurada (August 2005), Development of hybrid prestressed concrete bridges with corrugated steel
web construction, 30th Conference on OUR WORLD INCONCRETE & STRUCTURES: 23-24.
[6]. Shogo Mori, Tako Miyoshi, Hisato Katoh, Nobuo Nishimura, Satoshi Nara, Local stresses of corrugated steel
webs in PC bridges under prestressing.

Nguồn: https://tapchigiaothong.qltns.mediacdn.vn/481400261263945728/2023/9/19/dt-t9-16950924957651876442150.pdf