Bài báo trình bày phương pháp tính toán nội lực và chuyển vị đứng của phần giữa sông cầu phao dạng băng khi chịu tải trọng xe ô tô bằng cách sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn và mô hình kết cấu không gian. Dựa trên kết quả đó, nhóm tác giả kiểm tra ứng suất lớn nhất của hệ khung dầm đốt phao làm bằng vật liệu composite GFRP nhằm xây dựng cơ sở khoa học xác định khả năng ứng dụng vật liệu composite GFRP để chế tạo cầu phao

Lê Văn Tú

Nguyễn Mạnh Thường

English

Journal of Science and Technique

Chuyên san Kỹ thuật Công trình đặc biệt - Số 02/Tạp chí Khoa học & Kỹ thuật - Số 200 (6-2019) - Học viện KTQS 75PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN KHẢ NĂNG CHỊU TẢI  CỦA CẦU PHAO ĐƯỢC CHẾ TẠO TỪ VẬT LIỆU GFRP Nguyễn Mạnh Thường*, Lê Văn Tú Học viện KTQS Tóm tắt Bài báo trình bày phương pháp tính toán nội lực và chuyển vị đứng của phần giữa sông cầu phao dạng băng khi chịu tải trọng xe ô tô bằng cách sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn và mô hình kết cấu không gian. Dựa trên kết quả đó, nhóm tác giả kiểm tra ứng suất lớn nhất của hệ khung dầm đốt phao làm bằng vật liệu composite GFRP nhằm xây dựng cơ sởkhoa học xác định khả năng ứng dụng vật liệu composite GFRP để chế tạo cầu phao. Từ khóa: Cầu phao; vật liệu composite GFRP; dầm trên nền đàn hồi. 1. Đặt vấn đề Hiện nay, trong nhiều tình huống như: sửa chữa cầu cũ, thiên tai, bão lụt..., cần phải bắc cầu tạm qua sông để giải quyết vấn đề giao thông. Cầu phao là một giải pháp có nhiều ưu điểm như có chiều dài lớn nên vượt được sông rộng, thời gian lắp ghép nhanh, không cần mố trụ, ít gây ảnh hưởng tới dòng sông, dễ dàng thu hồi lại chuyển sang vị trí khác... Công tác nghiên cứu chế tạo bộ cầu phao phục vụ mục đích đảm bảo giao thông trong ngắn hạn, chịu được tải trọng xe ô tô thông thường, trong một sốtrường hợp đặc biệt phục vụ vượt sông của xe tải quân sự là rất cấp thiết. Vật liệu composite cốt sợi thủy tinh GFRP có nhiều ưu điểm, có khả năng chịu lực tốt, khối lượng nhẹ nên có khả năng cao để sử dụng chế tạo bộ cầu phao như vậy. Do khuôn khổcó hạn nên bài báo trình bày một vấn đề nhỏ trong các vấn đề cần nghiên cứu về bộ cầu phao trên là tính toán nội lực, chuyển vị đứng và kiểm tra ứng suất lớn nhất của hệkhung dầm đốt phao làm bằng vật liệu composite cốt sợi thủy tinh GFRP của phần giữa sông cầu phao khi chịu tải trọng xe ô tô, chưa xét đến các tải trọng khác như tải trọng dòng chảy... 2. Cơ sở tính toán cầu phao sử dụng vật liệu composite GFRP Vật liệu composite cốt sợi thủy tinh (Glass Fiber Reinforced Plastic - GFRP) với ưu điểm là khối lượng bản thân nhẹ, cường độ chịu kéo cao, mô đun đàn hồi lớn và khảnăng chống ăn mòn cao, là loại vật liệu thích hợp chế tạo phao nổi. Vật liệu GFRP này chịu được sự uốn dẻo rất cao, siêu cứng, liên kết siêu bền chống lại được sự ôxi hóa cũng như sự ăn mòn của các chất hóa học vì vậy mà vật liệu composite rất bền, tuổi thọcủa sản phẩm làm từ vật liệu composite rất cao.                                                *Email: nmthuongvn@gmail.com  https://doi.org/10.56651/lqdtu.jst.v2.n01.321.sceEdited with the trial version of Foxit Advanced PDF EditorTo remove this notice, visit:www.foxitsoftware.com/shopping    Section on Special Construction Engineering - N.02/Journal of Science and Technique - N.200 (6-2019) - Le Quy Don Technical University    76Vì có thành phần từ nhựa nên vật liệu composite rất nhẹ và vô cùng thích hợp cho việc vận chuyển và thi công lắp đặt. Bản chất được tạo ra từ các liên kết nhựa với sợi thủy tinh nên khi ở một mức nhiệt độ cao nhất định nó có thể dễ dàng tạo hình theo khuôn mẫu. Các đặc trưng cơ bản của vật liệu GFRP được thể hiện ở bảng dưới đây [7]: Bảng 1. Các đặc trưng của vật liệu GFRP  Tên chỉ tiêu Giá trị tiêu chuẩn Giới hạn bền khi kéo, MPa, không nhỏ hơn 800 Giới hạn bền khi nén, MPa, không nhỏ hơn 300 Mô đun đàn hồi khi kéo, GPa, không nhỏ hơn 45 Ứng xử kéo của vật liệu này được biểu diễn bằng quan hệ ứng suất - biến dạng đàn hồi tuyến tính đến khi bị phá hoại, và trong trường hợp này sự phá hoại là đột ngột và giòn. Cường độ chịu kéo và độ cứng của vật liệu cốt sợi composite phụ thuộc vào nhiều tham số. Vì các sợi là thành phần chịu tải chính, nên kiểu cốt sợi, chiều sắp xếp của cốt sợi, lượng cốt sợi và phương pháp cũng như điều kiện chế tạo cốt sợi ảnh hưởng tới đặc tính chịu kéo của vật liệu này. Ứng xử nén: Mô đun đàn hồi nén thường nhỏ hơn so với mô đun đàn hồi kéo. Mô đun đàn hồi nén xấp xỉ 80% mô đun đàn hồi kéo đối với vật liệu GFRP. Từ vật liệu composite GFRP có thể chế tạo thành các phao nổi, các phao này được ghép lại với nhau tạo thành một bộ cầu phao dạng băng. Bài báo xem xét tính toán kết cấu chính của cầu phao là phần giữa sông. Mô hình tính toán phần giữa sông của loại cầu này có thể đưa về sơ đồ dầm liên tục trên nền đàn hồi [1]. Cơ sở lý thuyết tính toán nội lực, chuyển vị có thể trình bày gắn gọn như sau: Khi đặt tải trọng tập trung P lên dầm có độ cứng EJ đặt trên nền đàn hồi đồng nhất và đẳng hướng (Hình 1), dầm sẽ bị uốn cong và lún vào trong nền. Phản lực của nền có cưòng độ q phân bố theo chiều dài của dầm và cân bằng với tải trọng P. Cường độ phản lực q của nền tỉ lệ thuận với biến dạng y của nền (độ lún của dầm vào trong nền) tại một thiết diện nào đó: q = K.y  Hình 1. Sơ đồ lực tác dụng lên dầm đặt trên nền đàn hồi     Chuyên san Kỹ thuật Công trình đặc biệt - Số 02/Tạp chí Khoa học & Kỹ thuật - Số 200 (6-2019) - Học viện KTQS    77Theo kiến thức sức bền vật liệu và cơ học kết cấu, giải bài toán dầm trên nền đàn hồi như trên sẽ xây dựng được đường ảnh hưởng chuyển vị, mô men của dầm. Từ đó đặt tải trọng và xác định được chuyển vị, mô men của dầm.  Bài toán tính toán cầu phao là một bài toán phức tạp. Ngày nay, các phần mềm tính toán đã giúp giải quyết các bài toán tính toán kết cấu phức tạp đó. Trong khuôn khổ bài báo, nhóm tác giả trình bày nội dung tính toán phần giữa sông cầu phao bằng phương pháp phần tử hữu hạn để giải bài toán tính cầu phao dạng băng trên cơ sở mô hình nền đàn hồi Vincle. Nhóm tác giả sử dụng mô hình không gian, phần mềm SAP2000 để mô phỏng tính toán các tham số chính như chuyển vị đứng của cầu phao, nội lực trong các chi tiết chính là dầm dọc và dầm ngang. Xét bài toán cầu phao dạng băng cấu tạo từ  phao composite GFRP có kích thước dài x rộng x cao là 6,0 m x 2 m x 1,5 m, hình hộp chữ nhật. Hai phao liên kết với nhau tạo thành một đốt phao đôi có chiều rộng cầu 4 m, đủ 1 làn xe chạy. Liên kết của hai phao là dạng liên kết cứng. Dầm dọc, dầm ngang dạng chữ I, có kích thước như trong bảng dưới đây:  Hình 2. Mặt cắt ngang cầu phao  Bảng 2. Kích thước, số lượng và đặc trưng hình học của dầm dọc, dầm ngang STT Tên dầm Kích thước (mm) Số lượng trong một phao Khoảng cách các dầm (mm) Đặc trưng hình học Diện tích -F (m2) Mô men kháng uốn trục 2- W2 (m3) Mô men kháng uốn trục 3-  W3 (m3) 1 Dầm dọc trên I100x55x4 4 400 0,000808 4,1x10-6 2,5x10-5 2 Dầm dọc dưới L50x50x4 4 400 0,000384 2,6x10-6 2,6x10-6 3 Dầm ngang trên I100x55x4 7 1000 0,000808 4,1x10-6 2,5x10-5 4 Dầm ngang dưới I100x55x3,6 7 1000 0,000808 4,1x10-6 2,5x10-5     Section on Special Construction Engineering - N.02/Journal of Science and Technique - N.200 (6-2019) - Le Quy Don Technical University    78Do ưu điểm cầu phao có thể bắc qua sông rộng, nên nhóm tác giả chọn ví dụ tính toán cầu phao dạng băng với chiều dài phần giữa sông 90m được cấu tạo từ 15 đốt phao đôi như trên, các đốt phao liên kết cứng với nhau để tạo thành cầu phao dạng băng. Đây là chiều dài nhịp mà các loại cầu tạm khác như Bailey không đạt tới, và đủ lớn để kết quả tính toán sát với lý thuyết tính dầm trên nền đàn hồi. Xét thực tế, để đảm bảo giao thông thông thường, cầu cần phải đảm bảo cho xe tải khoảng 20 tấn chạy qua được. Với xe tải quân sự, xe tải Kraz 255 với tổng tải trọng  20 tấn là phổ biến, vì vậy nhóm tác giả xem xét tải trọng xe qua cầu có tải trọng 20 tấn. Do cầu phao là cầu tạm để giải quyết vấn đề thông xe trong ngắn hạn, để đảm bảo an toàn, xe qua cầu phải đảm bảo cự ly giãn cách và tốc độ phù hợp, giả thiết xe di chuyển đúng tâm cầu, đủ chậm để không gây ra các tác dụng động quá lớn. Theo [1] dựa theo đường ảnh hưởng thu được khi giải bài toán dầm trên nền đàn hồi thì trường hợp bất lợi nhất chính là 1 xe đặt chính giữa cầu phao. Vì vậy, trong ví dụ tính toán, nhóm tác giả lựa chọn tải trọng là 1 xe 20 tấn. Để đảm bảo an toàn, hệ số tải trọng lấy theo tiêu chuẩn thiết kế cầu hiện hành TCVN 11823-3:2017 Thiết kế cầu đường bộ - Phần 3 “Tải trọng và Hệ số tải trọng” là γ1 = 1,25 đối với tải trọng bản thân và γ2 = 1,75 đối với hoạt tải xe.   Hình 3. Sơ đồ phân bố tải trọng trên các trục xe Kraz-255 Phần giữa sông cầu phao được đặt trực tiếp trên mặt nước là mô hình dầm trên nền đàn hồi Vincle một hệ số lý tưởng. Khi mô hình hóa kết cấu, mô hình nền được thay thế bằng các gối lò xo đặt tại các nút.   Hình 4. Sơ đồ tính phần giữa sông Độ cứng của lò xo phụ thuộc vào diện tích các phần tử trong vùng ảnh hưởng của nó. Cụ thể, ta quy hệ số độ cứng của lò xo bằng tích số giữa diện tích vùng ảnh hưởng của nó với hệ số nén. Khi tính đoạn giữa sông, trong lý thuyết tính toán, người ta coi chiều dài cầu là vô hạn, thực tế tính toán bằng phương pháp phần tử hữu hạn với chiều     Chuyên san Kỹ thuật Công trình đặc biệt - Số 02/Tạp chí Khoa học & Kỹ thuật - Số 200 (6-2019) - Học viện KTQS    79dài cầu hữu hạn thì hệ số độ cứng lò xo theo cách quy đổi như trên sẽ gồm hai hệ số,  hệ số K1 tại đầu cầu và hệ số K cho các đoạn phía trong, các hệ số độ cứng lò xo được xác định là: baK    (kN/m); 1 0 5K , a b     (kN/m), trong đó: γ - trọng lượng riêng của nước, (kN/m3); a - khoảng cách giữa các dầm dọc trong kết cấu, (m);  b - khoảng cách giữa các dầm ngang trong kết cấu, (m).  Dưới đây là một số hình ảnh minh họa việc mô hình hóa và tính toán cầu phao trên phần mềm SAP2000, dầm dọc và dầm ngang được mô hình bằng phần tử Frame, lớp mặt cầu và vỏ phao được mô hình dạng phần tử Area shell. Khai báo tải trọng xe trong SAP2000 sử dụng kiểu Uniform to Frame, là kiểu tải trọng phân bố đều trên tấm mặt cầu và quy về các dầm dọc và dầm ngang mà liên kết với tấm, giá trị bằng tải trọng q = P/S, trong đó P - tải trọng xe lên một trục bánh xe, S - diện tích tiếp xúc bánh xe với mặt cầu.  Hình 5. Mô hình cầu phao trong phần mềm SAP2000  Hình 6. Khai báo tải trọng xe     Section on Special Construction Engineering - N.02/Journal of Science and Technique - N.200 (6-2019) - Le Quy Don Technical University    803. Kết quả tính toán - Kết quả tính toán chuyển vị: Chuyển vị lớn nhất của cầu là f  = 0,337 m.  Trong khi đó mớn nước cho phép theo [1]:   4 4 0,75 0,6 m.5 5T H       Rõ ràng, f = 0,337 m < 0,6 m = [T]. Như vậy, cầu đủ khả năng chịu tải trọng xe 20 tấn. Bảng 3. Chuyển vị nút lớn nhất Joint Output Case U1 U2 U3 R1 R2 R3 Text Text m m m Radians Radians Radians 1866 TTBT+XT 0,034233 0,041742 -0,33711 0,00324 0,00789 0,00025   Hình 7. Biểu đồ mô men uốn của các phần tử trong mặt cắt ngang cầu phao - Kết quả tính toán ứng suất khung dầm:  Bảng 4. Giá trị nội lực lớn nhất dầm dọc, dầm ngang Frame Station Output Case P V2 V3 T M2 M3 Text m Text KN KN KN KN-m KN-m KN-m 3677 0,5 TTBT +XT 12,41 -7,71 0,008322 -6,4E-05 0,000828 9,240 3675 0,4 TTBT +XT 7,007 12,773 -0,027 -0,00034 0,006 -6,687     Chuyên san Kỹ thuật Công trình đặc biệt - Số 02/Tạp chí Khoa học & Kỹ thuật - Số 200 (6-2019) - Học viện KTQS    81Mô men lớn nhất của dầm dọc 9,24(kN.m).DDMaxM   Từ đó tính được ứng suất lớn nhất của dầm dọc: 32max 6 52 312, 41 0,000828 9,24 385,187(MPa)0,000808 4,1 10 2,5 10DD MMPF W W          Mô men lớn nhất của dầm ngang 6,687(kN.m).DNMaxM    Từ đó tính được ứng suất lớn nhất của dầm ngang:  32max 6 52 37,007 0,006 6,687 257,326(MPa)0,000808 4,1 10 2,5 10DN MMPF W W           Các giá trị ứng suất này đều nhỏ hơn giá trị giới hạn bền cho phép của vật liệu composite cốt sợi thủy tinh GFRP như trong bảng 1. Như vậy, kết quả kiểm tra ứng suất lớn nhất của hệ khung dầm đốt phao cho thấy vật liệu GFRP đảm bảo khả năng chịu lực.  4. Kết luận Qua nghiên cứu xác định nội lực và chuyển vị đứng của phần giữa sông cầu phao dạng băng khi chịu tải trọng xe ô tô, và kiểm tra ứng suất lớn nhất của hệ khung dầm đốt phao làm bằng vật liệu composite GFRP như trên, thấy rằng khả năng sử dụng vật liệu GFRP chế tạo phao nổi để lắp ghép thành cầu phao dạng băng có tải trọng 20 tấn, phục vụ cho mục đích đảm bảo giao thông trong các tình huống khẩn cấp và có thể đảm bảo vượt sông cho xe tải quân sự là hoàn toàn khả thi.  Do khuôn khổ bài báo có hạn, nên ngoài vấn đề nêu trên, nhóm tác giả chưa đi sâu vào tính toán và giải quyết nhiều vấn đề phức tạp khác khi nghiên cứu cầu phao từ vật liệu GFRP như bài toán tối ưu hóa kết cấu, vấn đề liên kết các đốt phao, liên kết các chi tiết dầm dọc, dầm ngang, lớp vỏ với nhau, hình dạng phao, tác dụng của tải trọng khác như tải trọng dòng chảy... Nhóm tác giả hi vọng có thể trao đổi với các đồng nghiệp về các vấn đề này. Tài liệu tham khảo 1.  Đinh Sơn Hùng (1998). Các phương tiện vượt sông. Học viện KTQS. 2.  Đỗ Văn Hệ và các tác giả (2014). Phần mềm SAP2000 ứng dụng vào tính toán kết cấu công trình. Nxb Xây dựng, Hà Nội. 3.  Nguyễn Trang Minh (2006). Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số hình học và liên kết đặc biệt đến khả năng chịu lực của cầu nổi. Luận án tiến sĩ, Học viện KTQS. 4.  Nguyễn Hoa Thịnh, Nguyễn Đình Đức (2002). Vật liệu Composite - Cơ học và công nghệ. Nxb Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội.     Section on Special Construction Engineering - N.02/Journal of Science and Technique - N.200 (6-2019) - Le Quy Don Technical University    825.  Trần Ích Thịnh (1994). Vật liệu composite cơ học và tính toán kết cấu. Nxb Giáo dục. 6.  Nguyễn Minh Tuấn (1997). Nghiên cứu tính toán kết cấu vỏ composite lớp. Luận án tiến sĩ, Học viện KTQS. 7.   TCVN 11109:2015. Cốt composite polyme. Bộ Khoa học và Công nghệ. 8.  Зайцев С.В., Тимофеев М.Ю. (2015). Спецоборудование амфибийных транспортных средств специального назначения. Наплавные мосты и паромы.МАДИ, Москва. METHOD OF CALCULATING BEARING CAPACITY OF FLOATING BRIDGE MADE OF GFRP COMPOSITES MATERIAL Abstract: The article presents methods of calculating internal force and vertical displacement in the middle section of floating bridge under vehicle load by using the finite element method and 3D structure model. Based on that result, the authors examined the maximum stresses in beam frame system which is made of GFRP composite material in order to build a scientific basis for determining the applicability of GFRP composite materials to produce floating bridge. Keywords: Floating bridge; GFRP composite materials; beams on elastic foundation. Ngày nhận bài: 20/3/2019; Ngày nhận bản sửa lần cuối: 21/5/2019; Ngày duyệt đăng: 01/7/2019             

PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN KHẢ NĂNG CHỊU TẢI CỦA CẦU PHAO ĐƯỢC CHẾ TẠO TỪ VẬT LIỆU GFRP

http://jst.lqdtu.edu.vn/index.php/sce/article/download/321/183

PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN KHẢ NĂNG CHỊU TẢI CỦA CẦU PHAO ĐƯỢC CHẾ TẠO TỪ VẬT LIỆU GFRP

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Journal of Science and Technique