Tóm tắt: Rất nhiều công trình nghiên cứu đã chỉ ra rằng, tại khu vực bố trí neo cáp CĐC tại đầu dầm và tại khu vực dầm trên đỉnh trụ xuất hiện nhiều vết nứt và các hư hỏng khác. Những hư hỏng này làm giảm sự làm việc an toàn và hiệu quả khai thác của công trình. Bài này sẽ đưa ra một số kết quả nghiên cứu sự làm việc cục bộ của dầm bản trên trụ cột, phương pháp tính toán, sơ đồ bố trí và lựa chọn đường kính cốt thép tại vị trí này. Đây chỉ là một trong những phương pháp tiếp cận để giải quyết vấn đề này.
I. Mở đầu
Trước đây, rất nhiều các nhà khoa học và chuyên gia đã nghiên cứu về sự làm việc cục bộ tại khu vực bố trí neo cáp CĐC tại đầu dầm và tại khu vực dầm trên đỉnh trụ, tại vì trong quá trình thiết kế và khai thác công trình, tại các khu vực này xuất hiện nhiều vết nứt và các hư hỏng khác. Những hư hỏng này làm giảm sự làm việc an toàn và hiệu quả khai thác của công trình. Tuy nhiên, trong những năm gần đây, cùng với việc áp dụng các kết cấu dầm bản với chiều cao kiến trúc nhỏ, xuất hiện một số hư hỏng. Do vậy, cần thiết phải tiếp tục nghiên cứu ảnh hưởng của ứng suất cục bộ, gây ra bởi phản lực của trụ cầu, phát sinh tại khu vực dầm bản trên trụ cột.
Tác giả phân tích và đưa ra kết quả nghiên cứu của trạng thái ứng suất cục bộ của kết cấu nhịp dầm bản. Những nghiên cứu này cho phép làm sáng tỏ sự làm việc cục bộ của kết cấu dầm tại khu vực trên đỉnh trụ và kiến nghị phương pháp tính toán thiết kế kết cấu dầm tại vị trí này.
Thông thường, quá trình tính toán và kiểm tra khả năng làm việc của dầm trên đỉnh trụ, nơi ứng suất cục bộ phát sinh lớn, có thể phân chia thành các bước sau:
- Kiểm tra kết cấu theo ứng suất pháp
- Kiểm tra kết cấu theo ứng suất tiếp hay theo ứng suất cắt gây ra do phản lực của trụ cầu lên kết cấu nhịp
- Kiểm tra kết cấu theo nén ép cục bộ
Tuy nhiên, khi áp dụng vào thực tế thiết kế cục bộ kết cấu dầm bản trên đỉnh trụ, một số nội dung sau thường chưa được chú ý kiểm tra chi tiết:
- Chưa xem xét ảnh hưởng rất đáng kể của ứng suất tiếp trong khi xem xét kết cấu dầm làm tại trạng thái ứng suất - biến dạng tương ứng;
- Chưa làm rõ và kiến nghị phương án bố trí cốt thép hợp lý tại khu vực kết cấu nhịp trên đỉnh trụ, trong khi vẫn đảm bảo cường độ và khả năng chống nứt của kết cấu nhịp;
- Chưa đưa ra những phân tích và chỉ dẫn rõ ràng về ảnh hưởng của chiều rộng, chiều cao, bán kính cong của kết cấu nhịp, cũng như số lượng và cách bó trí cáp CĐC được bố trí trong dầm lên nội lực và ứng suất tại khu vực cục bộ của kết cấu nhịp trên đỉnh trụ.
Căn cứ từ những phân tích trên, trình tự tiếp theo trong quá trình thiết kế và tính toán ứng suất cục bộ như sau:
- Xác định phạm vi phát sinh ứng suất cục bộ lớn nhất
- Lựa chọn sơ đồ cốt thép hợp lý tại khu vực kết cấu nhịp trên đỉnh trụ
- Lựa chọn đường kính và vị trí cốt thép, đã được xác định dựa theo tính toán thiết kế khi xét đến ảnh hưởng của ứng suất cục bộ gây ra do phản lực của dầm.
II. Nghiên cứu sự làm việc cục bộ của dầm bản trên trụ cột
Để tiến hành nghiên cứu, xem xét 1 kết cấu dầm bản BTCT DƯL liên tục trên các trụ 1 cột. Kết cấu nhịp dầm bản có sơ đồ 30 + 3 x 35 + 30 m, chiều cao dầm h = 1,45 m, chiều rộng cầu B = 15 m. Bê tông của kết cấu nhịp dùng loại C - 35, còn cáp cường độ cao dùng loại 12 tao bó xoắn 7 sợi 15.2 mm 6- 12 với lực kéo Fp = 75% [Fp]. Đường kính của trụ cột D = 1.25 m, còn bán kính cong của kết cấu nhịp R = 60m. Kết cấu nhịp được liên kết ngầm với trụ P3 và P4, tại trụ P2 và P5 đặt 1 gối cầu, còn tại mố A1 và A2 đặt 2 gối.
Tính toán và thiết kế kết cấu nhịp dầm bản dưới tác động của tải trọng bản thân của kết cấu và hoạt tải, phù hợp với Tiêu chuẩn thiết kế cầu hiện hành 22TCN 272 - 05.
Trong phạm vi tiến hành nghiên cứu, tác giả sử dụng chương trình tính toán kết cấu TDV và MIDAS. Sử dụng các chương trình tính toán này cho phép sử dụng các file nhập số liệu, hình thành sơ đồ tính toán và đặt các tải trọng theo thiết kế. Cùng với việc áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn, cho phép tính toán nội lực và ứng suất không những theo phương pháp dọc cầu, mà còn theo các đặc điểm bất kỳ trên mặt cắt ngang kết cấu nhịp. Kết quả tính toám nội lực và ứng suất được thể hiện dưới dạng sóo hoặc biểu đồ.
Kết cấu nhịp dầm bản và trụ cột được mô hình bằng các khối lăng trụ tam giác hoặc lăng trụ tứ giác, các khối này được liên kết với nhau tại các điểm nút. Mỗi đoạn kết cấu nhịp được mô hình bằng 21 x 950 = 19950 phần tử, còn trụ được mô hình bằng 8 x6 = 48 phần tử. Toàn bộ mô hình tính toán được mô hình bằng 19998 phần tử.
Để tính toán và lựa chọn đường kính cốt thép, tác giả lập một bảng tính, được viết bằng ngôn ngữ VBA trong môi trường Excel. Nhờ việc sử dụng chương trình này, có thể tính toán và lựa chọn số lượng và đường kính cốt thép tăng cường, cốt thép thẳng đứng và cốt thép ngang của dầm khi tính toán sự làm việc cục bộ của dầm bản trên trụ cột.
Khoảng cách và đường kính cốt thép thẳng đứng của dầm tại khu vực đỉnh trụ ảnh hưởng đáng kể đến cường độ của dầm. Nói cách khác, số lượng cốt thép thẳng càng nhiều thì cường độ giới hạn của phản lực trụ càng tăng nhanh. Khi chiều rộng của cầu B = 15 m thì có thể sử dụng lưới cốt thép D13@125mm, D16@150 mm hoặc D19@175mm.
Một trong những đặc điểm quan trọng nhất của lý thuyết vùng nén sử đổi là xác định được số lượng cốt thép ngang của dầm trên đỉnh trụ, sau khi đã xác định số lượng cốt thép thẳng đứng. Các loại cốt thép này cùng kết hợp, chịu ứng suất cắt gây ra do phản lực của trụ cột. Việc lựa chọn đường kính và số lượng cốt thép ngang khá tiện lợi, tương tự như lựa chọn thép thẳng đứng.
III. Kết luận
Dựa vào việc phân tích kết quả của sự làm việc cục bộ của dầm bản trên trụ cột, tác giả đưa ra một vài kết luận:
1. Trong rất nhiều trường hợp, có thể bố trí cốt thép chịu nén cục bộ theo cấu tạo. Thông thường đối với các cầu có chiều rộng lớn B > 15m và chiều rộng trụ cột nhỏ D < 1,25m mới cần bổ sung thêm cốt thép chịu nén cục bộ.
2. Khi tính toán thiết kế khu vực cục bộ của dầm trên đỉnh trụ, nên chú ý dặc biệt đến kiểm toán dầm theo ứng suất tiếp. Nhờ việc áp dụng lý thuyết vùng nén sử đổi, sự liên quan giữa ứng suất và biến dạng của dầm có xét đến sự xuất hiện các vết nứt đã được làm rõ.
3. Để đảm bảo cường độ và khả năng chống nứt dầm, hợp lý khi áp dụng sơ đồ bố trí cốt thép thẳng đứng và cốt thép ngang tại vị trí dầm trên đỉnh trụ.
4. Sử dụng phần mềm chuyên dụng có thể tiện dụng và nhanh chóng xác định số lượng cần thiết và khoảng cách của các loại cốt thép của dầm tại vị trí cục bộ trên đỉnh trụ của dầm.
T.S Lê Hoàng Hà
Nguồn tin: T/C Cầu đường Việt Nam, số 4/2007