MỞ ĐẦU T… · Web viewMỞ ĐẦU Tính cấp thiết của nghiên cứu Hiện nay ở Việt Nam có nhiều cầu lớn vượt sông được xây dựng. Các cầu này

MỞ ĐẦU

1. Tính cấp thiết của nghiên cứuHiện nay ở Việt Nam có nhiều cầu lớn vượt sông được xây dựng. Các cầu này phần lớn có

trụ nằm ở khu vực phương tiện đường thủy qua lại. Vì vậy trong thực tế luôn tiềm ẩn nguy cơ xảy ra các tai nạn do va xô của tàu thuyền vào trụ cầu hoặc các bộ phận khác của cầu, có thể ảnh hưởng đến khả năng chịu lực và tuổi thọ của trụ cầu và công trình cầu nói chung. Việc tính toán các tác động của lực va xô vào trụ cầu cũng như ảnh hưởng của nó đến khả năng chịu lực và độ bền của trụ cầu là yêu cầu bắt buộc đối với các công trình này.

Trong xu thế mở cửa và hội nhập ở nước ta hiện nay, ngành Giao thông vận tải hiện nay vẫn còn sử dụng song song nhiều nhiều qui trình thiết kế cầu đường ô tô do yếu tố lịch sử để lại cũng như phụ thuộc vào trình độ của các đơn vị quản lý dự án, tư vấn thiết kế… Trong đó một số qui trình đang hiện hành ở Việt Nam như qui trình thiết kế cầu cống theo trạng thái giới hạn ban hành năm 1979 (hiện ít được sử dụng, chủ yếu trong lĩnh vực cầu đường sắt hoặc dùng tham khảo khi thiết kế sửa chữa tăng cường cầu cũ trên đường ô tô), qui trình thiết kế cầu ô tô 22TCN 272-05 và mới nhất là qui trình thiết kế cầu đường ô tô TCVN 11823: 2017 (ban hành năm 2017), một số các qui trình của nước ngoài như qui trình của Nga và qui trình AASHTO của Mỹ (là cơ sở cho các qui trình 22TCN-272-05 và TCVN 11823:2017), qui trình Eurocode của Châu Âu, cũng được tham khảo trong tính toán, thiết kế kết cấu cầu cũng như tính toán va xô tàu thuyền nói riêng. Các qui trình này được xây dựng trên cơ sở thực tế có nhiều điểm khác với các điều kiện thực tế ở Việt Nam, do đó trong quá trình áp dụng vào thực tế Việt Nam đã bộc lộ nhiều hạn chế cần khắc phục. Một số qui định trong các tiêu chuẩn này khá phức tạp, cũng cần được làm rõ và có hướng dẫn chi tiết hơn cho các kỹ sư tính toán thiết kế có thể thực hành, áp dụng và tiếp cận đầy đủ nội dung qui định trong qui trình thiết kế.

Một trong những vấn đề trong tính toán thiết kế va xô tàu thuyền vào trụ cầu ở Việt Nam hiện nay là xác định giá trị tải trọng va xô vào trụ cầu. Giá trị lực va xô tàu thuyền vào trụ cầu vượt sông cho kết quả chênh lệch lớn giữa các phương pháp trong các tiêu chuẩn khác nhau. Nếu tính toán theo giá trị qui định trong Qui trình 22TCN-18-79 thì các tác động của lực va xô tầu bè đưa vào tính toán thường là rất nhỏ, có thể không đảm bảo độ tin cậy trong quá trình khai thác; kiểm tra lại những sự cố đã xảy ra gần đây thì giá trị của lực va xô lấy lớn hơn đáng kể giá trị qui định trong Qui trình 79. Tuy nhiên, nếu vận dụng theo đúng hướng dẫn của Qui trình 22TCN-272-05 với phương pháp tra bảng hướng dẫn (như thực tế phần lớn các đơn vị tư vấn thiết kế đang sử dụng) thì các giá trị này lại tương đối lớn, có thể không xảy ra trong thực tế khai thác ở Việt Nam, dẫn đến thiết kế vật liệu kết cấu trụ cầu hoặc kết cấu chống va xô tăng lên quá lớn, không phù hợp. Do đó cần có các nghiên cứu, đánh giá phương pháp tính toán lực va xô trong các tiêu chuẩn hiện hành ở Việt Nam và trên thế giới nhằm lựa chọn phương pháp tính toán phù hợp với điều kiện thực tế về đặc điểm đường thủy và các điều kiện khác trong khu vực xây dựng cầu ở Việt Nam, vừa đảm bảo an toàn cho kết cấu cầu trong khai thác, vừa đảm bảo tiết kiệm chi phí xây dựng.

2. Đối tượng, phạm vi nghiên cứuNghiên cứu các phương pháp tính toán giá trị lực va xô tàu thuyền vào trụ cầu vượt sông,

xét đến các điều kiện về thủy văn, đặc điểm giao thông thủy khu vực xây dựng cầu, tầm quan trọng của công trình cầu.

3. Cách tiếp cận, phương pháp nghiên cứuPhân tích tổng hợp các lý thuyết tính toán lực va xô hiện hành, khảo sát các số liệu thực tế

liên quan; kết hợp xây dựng mô hình phân tích dự báo.

1

4. Cấu trúc của đề tàiNgoài phần mở đầu, kết luận, kiến nghị, nội dung đề tài gồm 04 chương:

Chương 1:Tổng quan về tính toán thiết kế lực va xô của tàu thuyền vào trụ cầu vượt sông.Chương 2: Tổng hợp các phương pháp tính toán thiết kế va xô tàu, thuyền vào trụ cầu vượt sông.Chương 3: Tính toán lực va xô tàu vào trụ cầu vượt sông theo phân tích xác xuất thống kê và lý thuyết độ tin cậy.Chương 4: Xây dựng mô hình phân tích động va chạm tàu thuyền vào trụ cầu bằng phương pháp phần tử hữu hạn

2

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ TÍNH TOÁN THIẾT KẾ LỰC VA XÔ CỦA TÀU THUYỀN VÀO TRỤ CẦU VƯỢT SÔNG

1.1. Tính toán thiết kế va xô tàu thuyền trên thế giớiViệc tính toán tải va xô của tàu, thuyền trong thiết kế cầu là một vấn đề quan trọng, gây

ảnh hưởng lớn đến kinh tế và kỹ thuật khi thiết kế trụ cầu và công trình cầu nói chung. Bắt đầu được quan tâm nhiều trong vòng ba thập kỷ qua, sau những vụ tai nạn do va chạm giữa tàu, thuyền vào trụ cầu trên thế giới. Ban đầu, những vụ va chạm này chỉ được coi như một tình huống hiếm gặp và như vậy có thể bỏ qua. Sau đó từ những năm 1980, sau nhiều vụ tai nạn nghiêm trọng trên thế giới gây ra do va chạm giữa tàu thuyền với các bộ phận của cầu, vấn đề va tàu vào các công trình xây dựng nói chung mới được đặc biệt quan tâm.

Các phương pháp tính toán thiết kế liên quan đến tải trọng va tàu tiếp tục được nghiên cứu và phát triển trong Qui trình AASHTO-1994; các phiên bản sau này tiếp tục được cập nhật, bổ sung. Các hướng dẫn này đã đưa ra các phương pháp tính toán cơ bản trong việc lựa chọn tàu, thuyền (tải trọng, tốc độ di chuyển,…) để tính toán lực va chạm giữa tàu thuyền hay sà lan vào trụ cầu trong các điều kiện của khu vực xây dựng cầu có xét đến nhiều yếu tố như: tần suất tàu thuyền qua lại, chủng loại tàu thuyền, đặc trưng dòng chảy, hình thái dòng sông, vận tốc tàu thuyền,…nhằm đảm bảo an toàn cho công trình cầu mà vẫn đáp ứng yêu cầu tiết kiệm vật liệu xây dựng.1.2. Tính toán thiết kế va xô tàu thuyền ở Việt Nam

Ở Việt Nam, số lượng các cầu vượt sông là rất lớn. Phần lớn trong số đó là các cầu được thiết kế để có thể thông thuyền. Các cầu này thường có các trụ nằm trong khu vực tàu thuyền qua lại thường xuyên. Do vậy luôn tiềm ẩn nguy cơ xảy ra va xô giữa tàu thuyền, sà lan… và trụ cầu hay kết cấu nhịp. Một số năm gần đây, ở Việt Nam đã xảy ra một số vụ tai nạn giữa cầu và phương tiện nổi gây thiệt hại hết sức to lớn về kinh tế - xã hội. Tiêu biểu như tháng 7/2010, 3 chiếc tàu biển trọng tải lớn bị trôi và va đập mạnh vào cầu Bính. Tháng 11/2015, sà lan hơn 1.000 tấn va chạm vào nhịp cầu số 4 cầu Bình Lợi. Tháng 3/2016, một tàu thủy trọng tải 3.000 tấn đã đâm vào trụ cầu An Thái - chiếc cầu nối huyện Kim Thành với huyện Kinh Môn (Hải Dương). Gần đây nhất là sự cố va chạm giữa sà lan và trụ, làm sụp đổ hai nhịp cầu Ghềnh (Đồng Nai), tháng 3/2016; gần đây nhất là cầu Đồng Nai bị sà lan đâm vào gây hư hỏng nặng (4/2018).

Trong thiết kế tính toán va chạm tàu thuyền vào trụ cầu ở Việt Nam hiện nay sử dụng tiêu chuẩn 22TCN-18-79 “Qui trình thiết kế theo trạng thái giới hạn-1979”, và 22TCN 272-05, ngoài ra cũng tham khảo một số tiêu chuẩn thiết kế nước ngoài tương tự. Trong đó lực va chạm giữa trụ cầu và tàu thuyền thường được đơn giản hóa thông qua lực tác động tĩnh đặt tại điểm cố định (phụ thuộc vào mực nước thông thuyền). Giá trị của tải trọng va xô phụ thuộc vào hai yếu tố chính là trọng lượng và vận tốc di chuyển của phương tiện thủy. Tuy nhiên trong thực tế, việc va chạm giữa tàu thuyền và trụ cầu bản chất là bài toán động, việc xem xét đầy đủ ảnh hưởng của va chạm tới trụ cầu phải được phân tích trong bài toán động. Nhiều nghiên cứu trên thế giới cũng đã chỉ ra rằng việc tính toán lực va xô bằng thay thế lực tĩnh tương đương là chưa sát với thực tế . Giá trị của lực va xô còn phụ thuộc vào các yếu tố khác như kích thước, hình dạng của trụ cầu, của tàu thuyền, vào nền móng của trụ, vào liên kết gối với kết cấu nhịp.

3

CHƯƠNG 2. TỔNG HỢP CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN THIẾT KẾ VA XÔ TÀU, THUYỀN VÀO TRỤ CẦU

2.1. Tính toán theo mô hình lý thuyết va chạmMô hình giản lược

Mô hình phân tích chính xác va chạm giữa tàu thuyền hay sà lan vào trụ cầu thực tế là rất phức tạp, phụ thuộc nhiều vào các yếu tố hình học, độ cứng, liên kết của tất cả các bộ phận tham gia như tàu, thuyền, sà lan-nước; trụ cầu-kết cấu nhịp-đất nền…Do vậy trong mô hình tính toán kết cấu người ta cố gắng đơn gian hóa mô hình phân tích để đảm bảo độ chính xác có thể chấp nhận được. Trong tính toán có thể sử dụng hai mô hình phân tích va chạm tàu, thuyền, sà lan với trụ cầu: mô hình giản lược và mô hình phức tạp. Mô hình phức tạp về tác dụng của sà lan (nhiều bậc tự do)

Các tác động tải trọng của nhiều sà lan theo thời gian sẽ được mô hình hóa để đảm bảo xét đến tác động tương tác giữa các sà lan đơn với nhau và giữa sà lan-đầu kéo, giữa sà lan với trụ cầu. Thông qua việc rời rạc hóa độ cứng và khối lượng trong mô hình va xô nhiều sà lan. Như trường hợp cho mô hình sà lan đơn, độ cứng phần tử tàu dọc trục cho mỗi sà lan trong nhóm được tính toán từ đặc trưng hình học mặt cắt ngang của sà lan. Khối lượng của mỗi sà lan sử dụng bao gồm các khối lượng hàng hóa thường được giả định phân bố đều dọc theo chiều dài sà lan.

Trong nội dung tính toán lực va xô tàu thuyền vào trụ cầu ở các tiêu chuẩn thiết kế hiện hành. Lực va xô thường được đơn giản hóa thông qua việc qui về lực tĩnh tương đương với điểm đặt lên thân trụ cầu tùy thuộc vào mực nước tính toán và có giá trị tùy thuộc chủ yếu vào trọng lượng và vận tốc di chuyển trước va chạm của tàu, thuyền, sà lan (Tiêu chuẩn 2TCN18-79, 22TCN 272-05, AASHTO). Một số tiêu chuẩn xét thêm tham số độ cứng của mũi tàu thuyền, sà lan va chạm với trụ cầu (Euro code).

Trong tiêu chuẩn thiết kế cầu mới nhất của Việt Nam, TCVN 11823-1:2017, dựa trên AASHTO (bản 2007), yêu cầu tính toán tải trọng va xô tàu thuyền theo phương pháp xác suất thống kê và lý thuyết độ tin cậy. Trong đó không chỉ xét lực va xô tàu thuyền dựa theo cấp sông, trọng lượng tàu thuyền, sà lan, tốc độ di chuyển…mà cần tính toán lực va xô thông qua xác suất sụp đổ của trụ cầu dựa trên phân tích xác suất thống kế và lý thuyết độ tin cậy (xem phần sau). Việc tính toán theo phương pháp này cho phép xét đến ảnh hưởng của nhiều yếu tố ảnh hưởng đến tính toán va xô như: tầm quan trọng của công trình cầu, tần suất và chủng loại tàu thuyền, sà lan lưu thông dưới sông, vị trí trụ cầu, hình thái dòng sông. Dưới đây tóm tắt một số nội dung tính toán trong một số tiêu chuẩn hiện hành được dùng phổ biến ở Việt Nam và trên thế giới.

2.2. Phương pháp tính toán theo qui trình 22-TCN18-79Theo tiêu chuẩn 22-TCN18-79, các giá trị lực va xô tầu bè sẽ được quiết định theo cấp

sông và tải trọng tầu bè qua lại trên sông tại vị trí cầu. Các giá trị lực va xô xác định trên cơ sở tra bảng trong tiêu chuẩn phụ thuộc và cấp sông. Hiện giờ quy trình này gần như không được sử dụng trong các thiết kế mới nữa.

2.3. Theo tiêu chuẩn 22TCN272-05Chủ đầu tư phải thiết lập và/hoặc duyệt tàu thuyền thiết kế, vận tốc thiết kế và bất kỳ yêu

cầu riêng nào cho cầu với sự phối hợp của Cục đường sông Việt nam hoặc Cục hàng hải Việt nam khi thích hợp. Trong điều này đề ra những yêu cầu tối thiểu, có tính khuyến nghị, về tàu thuyền thiết kế, vận tốc thiết kế và tác dụng của các lực va [3]. Chủ đầu tư phải qui định hoặc thông qua mức độ hư hỏng của các cấu kiện cầu, bao gồm các hệ thống phòng vệ để chống đỡ. Khi xác định tải trọng va của tàu và mức độ hư hỏng cho phép phải xét đến:Kích thước, loại hình, điều kiện chất tải và tần suất của tàu sử dụng đường thuỷ; Các vận tốc điển hình của

4

tàu khi di chuyển trên đường thuỷ và sự biến đổi theo mùa của dòng chảy; Vị trí các trụ đỡ trên các luồng thông thương; Độ sâu nước và sự biến đổi theo mùa của nó; Sự đáp ứng kết cấu của cầu đối với lực va; Tầm quan trọng về kinh tế và chiến lược của cầu trên mạng đường bộ.Tàu thiết kế

Tàu thiết kế được xét cho các cấp đường sông khác nhau cho trong bảng 2.3. Kích thước và trọng tải các tàu thiết kế cho trong bảng 2.4. Cả hai bảng cho những yêu cầu tối thiểu, có tính khuyến nghị để thiết kế va tàu; như được mô tả trong Điều 3.14.1, tình hình riêng của mỗi công trình nên được xem xét và các đặc trưng của tàu nên sửa đổi nếu cần. Đối với các cầu gần cảng hoặc ở cửa sông cần được xem xét đặc biệt, nơi mà chiều rộng luồng và chiều sâu nước có thể cho phép các tàu lớn hơn rất nhiều so với các tàu cho trong các bảng 2.3 và 2.4.

Bảng 2.1-Tàu thiết kế cho các cấp đường sông

Cấp đường sông

Tấn trọng tải của tàu thiết kế (DWT)

Tầu tự hành Sà lan kéo

I 2000 500

II 1000 500

III 300 400

IV 200 400

V 100 100

VI 40 100

Bảng 2.2- Kích thước tàu thiết kế

DWT (T)TÀU TỰ HÀNH SÀ LAN KÉO

2000 1000 300 200 100 40 500 400 100

Chiều dài lớn nhất (m) 90 75 38 34 15 8 40 41 27

Chiều rộng lớn nhất (m) 12 10,5 7,0 6,6 5 3 10 11,2 6,4

Mớn nước đầy tải (m) 3,5 2,8 2,2 1,7 1,0 0,8 1,7 1,3 1,0

Vận tốc va thiết kếVận tốc va thiết kế V có tính khuyến nghị dùng cho mỗi loại tàu thiết kế phải lấy như

trong bảng 2.5; trong đó:Vs = vận tốc bình quân năm của dòng chảy liền kề bộ phận cầu được xem xét (m/s).

Bảng 2.3- Vận tốc va thiết kế cho tàu thiết kế

TÀU THIẾT KẾ VẬN TỐC VA THIẾT KẾ (m/s)

Tàu tự hành 1000 DWT 3,3 +VS

Tàu tự hành 1000 DWT 2,5 +VS

Sà lan kéo 1,6 +VS

5

Đối với cầu nhiều nhịp, nơi các bộ phận cầu ở xa luồng thông thuyền chính có thể xét loại vận tốc va thiết kế thấp hơn đối với các phần cầu đó theo sự chấp thuận của Chủ đầu tư. Lực va tàu vào trụ

Lực va đâm thẳng đầu tàu vào trụ phải được lấy như sau:

PS = 1.2x105 V DWTTrong đó: Ps : lực va tàu tĩnh tương đương (N); DWT: tấn trọng tải của tàu (Mg); V : vận

tốc va tàu (m/s)2.4. Phương pháp tính toán theo phân tích xác suất thống kê và độ tin cậy trong

TCVN 11823:2017Phương pháp tính toán lực va chạm tàu bè lên kết cấu cầu được kiến nghị ở đây chủ yếu

được xây dựng dựa theo phương pháp tính toán thể hiện trong các phiên bản của qui trình AASHTO, nội dung này cũng được thể hiện trong tiêu chuẩn thiết kế cầu đường ô tô mới nhất ở Việt Nam: TCVN 11823:2017. Việc nghiên cứu tính toán lực va chạm tàu bè lên kết cấu cầu trên cơ sở tần suất sụp đổ hàng năm:

- Tần suất hàng năm của sự sụp đổ của cấu kiện cầu được lấy theo công thức :AF = (N) (PA) (PG) (PC)

Trong đó :- AF là tần suất năm của sự sụp đổ cấu kiện cầu do va chạm tàu bè. AF phải tính cho

mỗi bộ phận của cầu và cấp tàu thuyền. Tần suất năm của sự sụp đổ cho toàn cầu phải được tính bằng tổng AF của các bộ phận. Hiện tại có thể đề nghị một mức độ an toàn rất cao cho kết cấu cầu bằng việc lấy AF theo hướng dẫn của Qui trình AASHTO như sau:

- Đối với cầu tới hạn tần suất sụp đổ lớn nhất hàng năm AF cho toàn cầu được lấy là 0.0001.

- Đối với cầu sử dụng thông thường tần suất sụp đổ lớn nhất hàng năm AF cho toàn cầu được lấy là 0.001.

- N là số lượng hàng năm của tàu được xếp hạng theo kích thước và điều kiện chất tải sử dụng trên đường thủy. Số tàu đi dưới cầu dựa theo kích thước, loại hình và điều kiện chất tải và độ sâu hiện tại của nước phải được tính cho mỗi trụ và mỗi bộ phận kết cấu nhịp cầu được đánh giá. Tùy theo điều kiện đường thủy phải xét đến sự khác biệt giữa số lượng và điều kiện chất tải của tàu đi và về.

- PA là xác xuất sai lạc của tàu, được còn gọi là xác xuất nguyên nhân, là số đo rủi ro khi tàu lạc hướng hoặc do sai lầm của lái tàu hoặc do điều kiện thời tiết xấu hoặc hỏng học động cơ. Theo thống kê, sai lầm do con người và điều kiện thời tiết xấu là nguyên nhân chủ yếu của tai nạn chứ không phải do hỏng học động cơ. PA có thể xác định định bằng phương pháp thống kê hay phương pháp gần đúng.

Phương pháp thông kê là dựa trên các số liệu về các tai nạn trong lịch sử và số lượng tàu đi trên đường thủy trong thời kì báo cáo tai nạn. Do ở Việt Nam, các số liệu này chưa thống kê được nhiều nên chưa thể áp dụng theo phương pháp này.

Phương pháp gần đúng : Xác xuất sai lạc PA có thể được tính theo công thức;

PA = (BR) (RB) (RC)(RD)(RXC)Trong đó:

6

BR: mức độ cơ bản về sai lạc, được lấy như sau:

Đối với tàu thủy: BR = 0,6x10-4

Đối với xà lan: BR = 1,2x10-4 RB: hệ số điều chỉnh theo vị trí cầu, được lấy dựa trên vị trí tương ứng

của cầu trong một trong ba vùng đường thủy như sau:

Trong vùng thẳng: RB = 1,0

Trong vùng quá độ:

Trong vùng rẽ/cong: với θ là góc ngoặt hay uốn cong (độ)

RC: hệ số điều chỉnh do dòng chảy song song với luồng di chuyển của tàu được lấy theo công thức 1.4:

Với Vc là thành phần vận tốc dòng chảy song song với luồng tàu (km/h)RD: hệ số điều chỉnh mật độ đi lại của tàu, được lựa chọn trên cơ sở mật độ đi lại

của tàu/xà lan trên đường thủy sát cạnh cầu như sau:

mật độ thấp: ít gặp tàu thuyền đi qua hoặc vượt nhau ở vùng lân cận cầu: RD= 1,0

mật độ trung bình: thỉnh thoảng gặp tàu thuyền đi qua hoặc vượt nhau vùng lân cận cầu: RD = 1,3.

mật độ cao: thường gặp tàu thuyền đi qua hoặc vượt nhau ở vùng lân cận cầu: RD= 1,6.

RXC: hệ số điều chỉnh do dòng chảy ngang tác dụng thẳng góc với luồng di chuyển của tàu.

RXC = 1+0,54VXC

với VXC là thành phần vận tốc dòng chảy thẳng góc với luồng tàu (km/h).Các giá trị VXC và VC được lấy theo giá trị vận tốc trung bình hàng năm của dòng

chảy, trừ ở những vị trí sông có giao thông tàu bè hàng năm chiếm tỷ lệ lớn trong thời gian lũ hàng năm thì vận tốc dòng chảy sẽ được quiết định riêng.

PG : xác suất hình học của va chạm tàu sai lạc và trụ hoặc nhịp cầu.Phân phối chuẩn có thể được sử dụng để mô hình hóa đường đi của một con tàu lạc ở gần

cầu. Xác suất hình học PG phải được lấy bằng diện tích của biểu đồ phân phối chuẩn được giới hạn bởi bề rộng trụ và bề rộng tàu ở hai phía của trụ như trọng hình 2.6. Độ lệch chuẩn σ của đường phân phối chuẩn phải được giả thiết là bằng chiều dài toàn bộ của tàu thiết kế được chọn (LOA).

PG được xác định dựa trên bề rộng BM của mỗi tàu xếp hạng hoặc có thể được xác định cho mọi khoảng xếp hạng theo BM của tàu thiết kế được chọn.Hàm mật độ phân bố xác suất chuẩn có dạng như sau (theo các quan hệ của lý thuyết xác

suất thống kê):

7

PC: xác suất sập đổ do va chạm với tàu sai lạc, được xác định như sau dựa trên tỉ số của lực kháng ngang cực hạn của trụ, HP và nhịp HS, với lực va của tàu P:

Nếu 0,0≤H/P<0,1 thì

PC = 0,1 + 9( 0,1 - HP )

Nếu 0,1 ≤ H/P < 1,0 thì

PC = (1 - HP )

19

Nếu HP ≥ 1,0 thì PC = 0,0

Trong đó :H = sức kháng của bộ phận cầu đối với lực ngang biểu thị bằng sức kháng của trụ HP

hoặc của kết cấu phần trên Hs (N). Lực kháng ngang cực hạn của trụ hoặc nhịp là lực ngang lớn nhất do va chạm tàu bè mà trụ hoặc kết cấu nhịp có thể chịu được ngoài các phần tải trọng khác trong tổ hợp tải trọng ngang tính trụ hoặc kết cấu nhịp, ví dụ như áp lực nước tĩnh, lực gió ngang, tác động của hoạt tải đặt lệch tâm…Các lực kháng ngang của trụ hoặc kết cấu nhịp có thể được lấy theo điều kiện ổn định tổng thể hoặc điều kiền cường độ.2.4. Theo tiêu chuẩn Eurocode

Tiêu chuẩn Euro code xây dựng công thức tính toán lực va xô do tàu thuyền vào trụ cầu trên cơ sở mô hình lý thuyết đơn giản (hình 2.13) [1]. Công thức tính lực va xô tàu, thuyền (sà lan) vào trụ cầu, phụ thuộc vào trọng lượng, vận tốc và tham số độ cứng của tàu, thuyền (sà lan):

F=V.√(k.M),Trong đó:

F: là lực va xô, MN,M: trọng lượng của tàu, thuyền, sà lan (MT),K: tham số độ cứng của vật va chạm, có thể tham khảo giá trị k theo vận

tốc và trọng lượng tàu, thuyền trong bảng phụ lục C của tiêu chuẩn.Tiêu chuẩn này, cũng đề nghị phương pháp tính toán theo xác suất, thống kê và lý thuyết

độ tin cậy tương tự như trong tiêu chuẩn AASHTO (xem phần trước) đối với các cầu lớn hoặc có các cầu có điều kiện thông thuyền phức tạp.

.

Hình 2.1 .Mô hình phân tích va chạm hệ lò xo và hệ thanh theo Eurocode [1]

8

CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN LỰC VA XÔ VÀO TRỤ CẦU THEO PHÂN TÍCH XÁC SUẤT THỐNG KÊ VÀ LÝ THUYẾT ĐỘ TIN CẬY, PHÙ HỢP VỚI ĐIỀU KIỆN KHU

VỰC XÂY DỰNG

3.1. Phương pháp và trình tự tính toán thiết kế lực va xô

Để tính toán lực va xô tàu, thuyền vào trụ cầu vượt sông theo phương pháp phân tích xác suất thống kê và lý thuyết độ tin cậy trong tiêu chuẩn TCVN11823:2017, cũng như trong các phiên bản qui trình AASHTO [11-15], các bước tính toán có thể được thực hiện theo sơ đồ khối dưới đây (hình 3.1 hoặc 3.2 đối với cầu cũ đang khai thác và đối với cầu thiết kế mới).

Hình 3.2 . Sơ đồ khối tính toán lực va xô tàu thuyền cho thiết kế trụ cầu mới

9

Hình 3.3. Sơ đồ khối kiểm toán va xô tàu thuyền cho trụ cầu cũ ; ((*) là công thức tính lực va xô trình bày trong mục 2.2.2.5)

3.2. Phân tích các số liệu tính toán về trụ cầu và công trìnhCác số liệu về đặc trưng kết cấu cầu có thể được lấy từ các dự án xây dựng. Các số liệu

này cho phép tính toán sức kháng lực ngang của trụ cầu dưới tải trọng va xô, bao gồm :Đặc điểm loại hình kết cấu, kích thước chung của kết cấu phần trên, kết cấu phần dưới sử dụng trong công trình; Đặc trưng vật liệu của trụ cầu: cốt thép chịu lực, cấp bê tông…Khổ tĩnh không dưới cầu dùng cho giao thông tàu bè ; Mức độ cản trở dòng chảy của công trình

Đối với các cầu thiết kế mới, các số liệu về kết cấu và vật liệu của phần trên, kết cấu phần dưới dễ dàng được xác định. Đối với các cầu cũ, khi cần tính toán tải trọng va xô để làm cơ sở đánh giá sự cần thiết của phương án bổ sung kết cấu chống va, cần có công tác khảo sát các thông số về kích thước, kết cấu và vật liệu của kết cấu nhịp và trụ cầu hiện hữu. Các số liệu về kết cấu và vật liệu của trụ cầu sẽ làm cơ sở để tính toán sức kháng ngang của trụ cầu dưới tải trọng va xô. Sức kháng ngang này là khả năng chịu lực ngang lớn nhất do va xô tàu thuyền mà trụ cầu chịu được ngoài các phần tải trọng khác trong tổ hợp tải trọng ngang kiểm toán trụ. Các lực ngang khác khi kiểm toán trụ bao gồm các lực như: áp lực nước, lực gió ngang, tác động của hoạt tải đặt lệch tâm, lực lắc ngang của hoạt tải (trong trường hợp cầu cong trên mặt bằng)…Lực kháng ngang của trụ cầu được tính toán theo điều kiện ổn định tổng thể hoặc điều kiện cường độ.3.3. Phân tích các số liệu về thủy văn

Các số liệu về thủy văn và dòng chảy dưới cầu có thể thu thập từ công tác khảo sát thủy văn ở khu vực xây dựng cầu kết hợp với số liệu thu thập từ trạm quan trắc gần vị trí cầu. Các số liệu về thủy văn ảnh hưởng trực tiếp đến tính toán xác suất sai lạc của tàu (PA). Các kết quả nghiên cứu về thủy văn khu vực xây dựng và các số liệu thông kê liên quan đến tính toán xác suất sụp đổ và lực va xô bao gồm các số liệu cơ bản:Chiều rộng, chiều sâu của dòng

10

chảy và của luồng vận tải dưới cầu ; Hướng dòng chảy, vận tốc nước trung bình hàng năm ; Mức nước trung bình hàng năm ; Xu hướng phát triển của dòng chảy ; Đặc điểm hình học của dòng chảy3.4. Phân tích các số liệu về phương tiện giao thông đường thủy

Các số liệu về giao thông tàu bè ở khu vực xây dựng cầu là các số liệu có thể thu được từ các trạm Quản lý đường sông thuộc Cục đường Thủy Việt Nam và từ các nguồn khác. Trong trường hợp số liệu thu thập từ các đơn vị quản lý không đầy đủ, có thể tiến hành công tác khảo sát ngoài thực địa để bổ sung hoặc tham khảo các tiêu chuẩn kỹ thuật liên quan. Các số liệu này sẽ phục việc tính toán tần suất sập đổ của trụ cầu, cũng như lựa chọn tàu thiết kế. Các số liệu này là đặc trưng của giao thông tàu bè dưới cầu, bao gồm: Loại tàu tức là tàu hoặc xà lan ; Kích cỡ dựa trên tải trọng của cầu DWT ; Đặc trưng khai thác đi và về ; Vận tốc lưu thông trung bình của tàu; Điều kiện chất tải tức là chất tải đầy, chất tải một phần, chạy nước dằn hoặc không tải; Tổng chiều dài LOA ; Chiều rộng boong BH ; Mướn nước ứng với mỗi điều kiện chất tải ; Chiều cao mũi tàu PB ; Trọng lượng rẽ nước của tàu ; Số lần qua cầu mỗi năm…Tùy theo chủng loại phương tiện giao thông thủy dưới cầu mà trong tính toán có thể chia thành một số nhóm tàu, sà lan đại diện để thuận thiện trong tính toán. Số liệu khảo sát về phương tiện thủy đối với cầu Phòng Châu được xử lý và tổng hợp trong bảng 3.6. Trong đó tàu thuyền, sà lan được phân loại thành 10 nhóm tính toán : 7 nhóm tàu và 3 nhóm sà lan đại diện cho phương tiện thủy lưu thông hàng năm trên đoạn sông qua cầu. Các số liệu được thu thập tại công ty quản lý đường sông về số lượng-tần suất và trọng tải khai thác; kích thước tàu được tham khảo dựa trên TCVN 5664:2009.

Bảng 3.4. Số liệu tàu thuyền đi lại khu vực sông dưới cầu Phong Châu

STT

Phân loại DWT (T) LOA (m) Bm(m) Dft(m) N

1 TT1 <=10 10.83/14.4 2.45/3.1 1.1 1580

2 TT2 11-50 15.78/23.2 4.22/5.3 1.8 1075

4 TT3 51-100 18.6/28.1 4.25/5.9 2.35 190

5 TT4 101-300 35.25/38 7/9 2.61 120

6 TT5 301-600 35.94/40.51 7.62/10.8 3.1 210

7 TT6 601-1050 43.5/56.2 9.6/12.5 3.7 48

9 SL1 200 60/70 4.6/8.8 1.7 210

10 SL2 650 98/110 7.0/9.5 2.5 150

11 Sl3 800 103/120 14.5/15.2 2.9 170

3.5. Lựa chọn tàu, sà lan thiết kế va xôTrong thực tế tính toán thiết kế va xô ở Việt Nam hiện nay thường sử dụng phương

pháp tra bảng để lựa chọn tàu thiết kế (Bảng 3.14.2-1: 22TCN 272-05). Theo phương phương pháp này tàu hoặc sà lan thiết kế sẽ phụ thuộc vào cấp đường sông. Từ cấp đường sông I đến VI sẽ tương ứng chọn được tàu thiết kế 2000T đến 40T và sà lan từ 500T đến 100T [3]. Các tàu, sà lan được chọn này sẽ là cơ sở đến tính tải trọng va xô thiết kế dựa trên trọng tải tàu, sà lan và vận tốc va xô. Vì vậy việc chọn tàu, sà lan cũng như vận tốc va thiết kế có ảnh hưởng quiết định đến giá trị lực va xô thiết kế.

Trong tiêu chuẩn thiết kế cầu đường ô tô mới TCVN 11823:2017, yêu cầu tính toán lựa chọn tàu thiết kế trên cơ sở phân tích xác suất thống kê và lý thuyết độ tin cậy. Việc lựa chọn tàu trên cơ sở phân tích tần suất sập đổ hàng năm của kết cấu.

11

Tàu thiết kế va xô sẽ là tàu điển hình đại diện cho giao thông tàu bè dưới cầu, được lựa chọn trên cơ sở cấp độ quan trọng của công trình cầu, đặc trưng của tàu, cầu và đường thủy. Theo phương pháp này thì tàu thiết kế là tàu có kích thước, trọng lượng, vận tốc, tần suất lưu thông… mà ứng với nó, tần suất sập đổ cầu hàng năm vượt quá giá trị được chấp thuận của cầu. Việc lựa chọn tàu, sà lan thiết kế va xô trụ cầu dựa trên kết quả tính toán xác suất sụp đổ hàng năm của loại tàu, sà lan đó gây ra đối với trụ cầu. Mỗi loại tàu thuyền sẽ được phân tích xác suất sập đổ hàng năm cho từng trụ cầu; dựa trên kết quả phân tích sẽ lựa chọn được tàu thiết kế va xô cho trụ cầu đó. Theo phân tích này có thể xảy ra một số trường hợp thông thường gặp phải:

Trường hợp không có tàu nào gây ra tần suất sập đổ lớn hơn giá trị cho phép: khi đó sẽ lấy tàu có tần suất lớn nhất làm tàu thiết kế;

Trường hợp tất cả các tàu đều gây ra tần suất sập đổ lớn giá trị cho phép: khi đó sẽ lấy tàu lớn nhất (trọng tải) làm tàu thiết kế;

Trường hợp có một số tàu gây ra tần suất sập đổ nhỏ hơn và một số tàu gây ra tần suất sập đổ lớn hơn giá trị cho phép: khi đó kiến nghị lấy tàu lớn nhất (trọng tải) và gây ra tần suất sập đổ lớn hơn giá trị cho phép.

Tàu thiết kế sẽ được lựa chọn để tính toán lực va thiết kế dựa trên trọng lượng và vận tốc va xô thiết kế theo công thức tính toán.3.6. Lựa chọn vận tốc va xô thiết kế

Khi tính theo phân tích xác suất thống kê và lý thuyết độ tin cậy (TCVN 11823:2017, AASHTO), vận tốc va thiết kế là phải được xét theo phân bố tam giác trong khí tính va xô cho các trụ trong cùng một cầu; nhằm triết giảm giá trị vận tốc của tàu, sà lan theo vị trí khác nhau của trụ cầu. Phân bố này được lấy theo chiều dài cầu và từ tim của đường đi của tàu trên song dựa trên số liệu tai nạn lịch sử. Số liệu này chỉ ra rằng các tàu và sà lan sai lạc va với trụ cầu ở xa luồng di chuyển có tốc độ giảm so với tàu va vào trụ ở gần vị trí tim luồng hơn (khu vực tĩnh không thông thuyền). Tàu sai lạc ở vị trí xa luồng thường là trôi theo dòng chảy. Các tàu sai lạc ở rất gần luồng di chuyển với vận tốc xấp xỉ với vận tốc tàu xà sà lan trong luồng thông thuyền chính. Vì vậy vận tốc thiết kế va xô sẽ thay đổi từ giá trị lớn nhất là V T (m/s) là vận tốc thông thường của tàu lưu thông trong luồng ở điều kiện bình thường đến giá trị Vmin là vận tốc thiết kế va tối thiểu không nhỏ hơn vận tốc trung bình hàng năm của dòng chảy tại vị trí cầu (m/s). Vận tốc va tàu thiết kế có thể xác định theo hình 3.9. Các giá trị vận tốc va thiết kế tương ứng cho từng trụ cầu được nội suy từ biểu đồ tam giác trong hình 3.9. Phương pháp này cho phép khi tính toán lực va, vận tốc va không chỉ dựa theo vận tốc trung bình năm của dòng chảy mà xét đến cả vận tốc lưu thông thông thường của loại tàu thiết kế, ngoài ra vị trí của trụ cầu so với tim luồng và mép luồng cũng được xem xét. Điều này đảm bảo vận tốc va thiết kế phù hợp với điều kiện của từng vị trí trụ cầu.

Hình 3.4. Xác định vận tốc va chạm thiết kế3.7. Phân tích kết quả tính toán va xô theo phân tích xác suất thông kê và lý thuyết độ tin cậy

3.7.1. Kết quả tính toán va xô cho trụ cầu Phong Châu, Phú Thọ

12

Giá trị va xô tính toán theo phân tích xác suất thống kê và lý thuyết độ tin cậy trong TCVN 11823:2017 cho các trụ cầu được thể hiện trong hình 3.14. Kết quả tính toán cũng được so sánh với giá trị tính theo phương pháp tra bảng trong 22TCN 272-05 và 22TCN 18-79 (một giá trị cho toàn cầu). Kết quả phân tích cho thấy sự chênh lệch khá lớn giữa các phương pháp, tỷ lệ chênh lệch lớn hơn lần lượt được ghi nhận là 63,54%, 34,16%; 34,16% và 63,80% cho các trụ P5, P6, P7 và P8 khi tính toán theo TCVN 11823:2017 và 22TCN 272-05. Trong khi giá trị lực va theo 22TCN 18-79 là rất nhỏ so với hai phương pháp còn lại (80T 784 KN).

Bảng 3.5. Xác suất sụp đổ hàng năm tính toán của trụ P5 cầu Phong Châu.STT Loại

tàu Trụ N PG PA PS PC AF Sum AF

1 TT1 P5 1580 0.130754506 0.000188347 519.88 0 0 02 TT2 P5 535 0.109885129 0.000188347 1162.48 0 0 0

3 TT3 P5 490 0.097203296 0.000188347 2324.97 0 0 04 TT4 P5 325 0.095939269 0.000188347 2847.49 0 0 0

5 TT5 P5 210 0.097278723 0.000188347 4026.96 0 0 0

6 TT6 P5 48 0.083235827 0.000188347 5327.17 0.00515531 3.88E-06 3.8794E-

06

7 SL1 P5 210 0.051360674 0.000376695 6461.90 0.02312152 9.39E-05 9.7821E-

05

8 SL2 P5 150 0.034569493 0.000376695 6586.82 0.0249991 4.88E-05 0.00014665

9 SL3 P5 170 0.045628637 0.000376695 6449.12 0.02395168 7E-05 0.0002166

4

TT1 TT2 TT3 TT4 TT5 TT6 SL1 SL2 SL30

0.00001

0.00002

0.00003

0.00004

0.00005

0.00006

0.00007

0.00008

0.00009

0.0001

Phân phối sác xuất sụp đổ trụ P5 theo loại tàu, sà lan

AF

Hình 3.5. Xác suất sụp đổ trụ P5 theo từng loại tàu, sà lan

Bảng 3.6. Xác suất sụp đổ hàng năm tính toán của trụ P6,P7 cầu Phong Châu.

STT

Loại tàu Trụ N PG PA PS PC AF Sum AF

1 TT1 P6,7 1580

0.131465662

0.000188347 870.05 0 0 0

2 TT2 P6,7 535 0.11011297 0.000188347 2266.62 0 0 0

3 TT3 P6,7 490 0.097340447

0.000188347 5593.58

0.01020179

9.16E-05

9.1649E-05

4 TT4 P6,7 325 0.09601357 0.000188347 7013.04

0.03062612 0.00018

0.00027165

5 TT5 P6,7 210 0.09734518 0.00018834 11668.32 0.0627370 0.00024 0.0005132

13

7 7 1 2

6 TT6 P6,7 48 0.08326553 0.000188347 17949.79

0.07966537 6E-05

0.00057317

7 SL1 P6,7 210 0.051372365

0.000376695 6701.88 0.0268893

0.000109

0.00068245

8 SL2 P6,7 150 0.034572683

0.000376695 6751.17 0.0275042

5.37E-05

0.00073618

9 SL3 P6,7 170 0.045632238

0.000376695 6617.24

0.02581204

7.54E-05 0.0008116


0.00005

0.0001

0.00015

0.0002

0.00025

0.0003

Phân phối sác xuất sụp đổ trụ P6, P7 theo loại tàu, sà lan

AF

Hình 3.6. Xác suất sụp đổ trụ P6,7 theo từng loại tàu, sà lan

Bảng 3.7. Xác suất sụp đổ hàng năm tính toán của trụ P8 cầu Phong Châu.

STT

Loại

tàu

Trụ N PG PA PS PC AF Sum AF

1 TT1 P8 158

00.130669152

0.000188347

519.8784473 0 0 0

2 TT2 P8 535 0.10985784

70.00018834

71162.48354

8 0 0 0

3 TT3 P8 490 0.09718688

60.00018834

72324.96709

7 0 0 0

4 TT4 P8 325 0.09593042

20.00018834

72847.49152

8 0 0 0

5 TT5 P8 210 0.09727082

40.00018834

74026.96113

7 0 0 0

6 TT6 P8 48 0.08323231

60.00018834

75327.16885

40.0051553

13.88E-

063.8792E-

06

7 SL1 P8 210 0.051359282

0.000376695 6414.9 0.0231215

29.39E-

059.7818E-

05

8 SL2 P8 150 0.034569114

0.000376695 6554.77 0.0249991 4.88E-

050.0001466

5

9 SL3 P8 170 0.045628215

0.000376695 6476 0.0239516

8 7E-05 0.00021663

14


0.00001

0.00002

0.00003

0.00004

0.00005

0.00006

0.00007

0.00008

0.00009

0.0001

Phân phối sác xuất sụp đổ trụ P8 theo loại tàu, sà lan

% A

F


Bảng 3.8. Xác suất sụp đổ hàng năm tính toán của toàn cầu.

STT Trụ Sum AFi Sum AF (total) [AF]

1 P5 0.000216638

0.002056481 0.0012 P6 0.0008116043 P7 0.0008116044 P8 0.000216634

Trụ P5 Trụ P6 Trụ P7 Trụ P80

0.0001

0.0002

0.0003

0.0004

0.0005

0.0006

0.0007

0.0008

0.0009

Phân phối xác suất sụp đổ theo trụ cầu

AF

Hình 3.8. Phân phối xác suất sụp đổ hàng năm theo từng trụ cầuBảng 3.9. Tàu, sà lan lựa chọn thiết kế tính toán lực va xô

TRỤ P5STT Phân loại DWT (T) LOA (m) Bm(m) Dft(m) Vtk(m/s)1 SL1 200 70 8.8 1.7 2.36

TRỤ P62 TT5 600 40.5 10 3.1 3.97

TRỤ P73 TT5 600 40.5 10 3.1 3.97

TRỤ P84 SL1 200 70 8.8 1.7 2.24

15

22TCN 18-79 22TCN 272-05: TCVN11823-P3 TCVN11823-P4 TCVN11823-P5 TCVN11823-P60

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

18000

20000

=784.00

=17721.40

=6461.90

=12123.16 =11668.32

=6414.90

LỰC VA XÔ TÀU THUYỀN THEO PHƯƠNG NGANG CẦU-CẦU PHONG CHAU

Luc

va x

o (

KN

)

Hình 3.9. Lực va xô tính toán theo từng trụ cầu theo các phương pháp khác nhau

3.7.2. Kết quả tính toán va xô cho trụ cầu Hiệp Thượng, Hải DươngCầu Hiệp Thượng nằm trên đường tỉnh DT388, địa phận Hải Dương. Đây là cầu đúc hẫng

cân bằng được xây dựng và đưa vào khai thác từ năm 2004 cầu được thiết kế theo tiêu chuẩn 22TCN 18-79, tham khảo tiêu chuẩn 22TCN 272-02. Cầu chính có sơ đồ nhịp là 55m + 90m + 55m, cầu có 4 trụ nằm trong khu vực chịu ảnh hưởng của va xô tàu thuyền cần tính toán va xô: P5, P6, P7 và P8, trong đó các trụ P5 và P8; P6 và P7, có vị trí đối xứng qua tim khổ thông thuyển, các thông số tính toán tương tự nhau. Các thông số tính toán va xô và số liệu khảo sát liên quan được trình bày chi tiết trong phần phụ lục khảo sát và ví dụ tính toán va xô kèm theo báo cáo này. Số liệu về phương tiện đường thủy qua sông Kinh Thầy dưới cầu được tổng hợp trong bảng 3.13. Trong đó chia thành 12 loại tàu và 3 loại sà lan tính toán với các thông số và đặc trưng tính toán khác nhau.

Bảng 3.10. Tàu, sà lan thiết kế lựa chọn tính toán lực va xô

STTPhân loại

DWT (T)

LOA (m) Bm(m) Dft(m) V(m/s) N

Tàu tự hành1 TT1 10 14.4 3.1 0.81 2.78 25602 TT2 30 17.5 4.7 0.86 3.06 32103 TT3 50 23.2 5.1 1.8 3.61 10254 TT4 100 28.1 5.25 2.17 3.61 8205 TT5 150 38 9 2.3 4.17 3606 TT6 200 28.1 5.9 2.35 4.44 1887 TT7 250 35.25 7 2.47 4.44 1048 TT8 300 38 8.5 2.61 5.00 1209 TT9 400 39.34 9 2.7 5.56 128

10 TT10 600 40.5 10 3.1 5.56 10211 TT11 800 49.9 12 3.5 5.56 12512 TT12 1000 56.2 12.5 3.7 5.56 98

Sà lan9 SL1 200 70 8.8 1.7 3.33 130

10 SL2 650 110 9.5 2.5 3.10 10511 Sl3 800 120 15.2 2.9 2.78 85

Bảng 3.11. Xác suất sụp đổ hàng năm tính toán của trụ P5 cầu Hiệp Thượng.

STTLoại tàu Trụ N PG PA PS PC AF Sum AF

1 TT1 P5,8 2560 0.0813188 0.0000837 527.47 0 0 0

16

2 TT2 P5,8 3210 0.0885509 0.0000837 913.60 0 0 03 TT3 P5,8 1025 0.0712483 0.0000837 1179.45 0 0 04 TT4 P5,8 820 0.0602320 0.0000837 1668.00 0 0 05 TT5 P5,8 360 0.0677576 0.0000837 2042.87 0 0 06 TT6 P5,8 188 0.0656321 0.0000837 2358.91 0 0 07 TT7 P5,8 104 0.0597320 0.0000837 3153.76 0 0 08 TT8 P5,8 120 0.0646777 0.0000837 4228.93 0 0 09 TT9 P5,8 128 0.0654636 0.0000837 5496.30 0 0 0

10 TT10 P5,8 102 0.0693811 0.0000837 7096.61 0.031574 1.87E-05 1.8704E-0511 TT11 P5,8 125 0.0657597 0.0000837 10706.25 0.058390 4.02E-05 5.888E-0512 TT12 P5,8 98 0.0604970 0.0000837 13212.48 0.068391 3.39E-05 9.282E-05

13 SL1 P5,8 130 0.0361954 0.0001674 6064.98 0.018045 1.42E-050.0001070

3

14 SL2 P5,8 105 0.0245401 0.0001674 6745.95 0.027440 1.18E-050.0001188

7

15 SL3 P5,8 85 0.0336468 0.0001674 6772.64 0.027769 1.33E-050.0001321

7

TT1 TT2 TT3 TT4 TT5 TT6 TT7 TT8 TT9 TT10 TT11 TT12 SL1 SL2 SL30

0.000005

0.00001

0.000015

0.00002

0.000025

0.00003

0.000035

0.00004

0.000045

Phân phối tần suất sụp đổ hàng năm trụ P5,8

AF

Hình 3.10. Xác suất sụp đổ trụ P5,P8 theo từng loại tàu, sà lan

Bảng 3.12. Xác suất sụp đổ hàng năm tính toán của trụ P6, P7 cầu Hiệp Thượng.


1 TT1 P6,7 2560 0.097650.0000

8 527.47 0.00000 0.0000000 0.0000000

2 TT2 P6,7 3210 0.102040.0000

8 1351.49 0.00000 0.0000000 0.0000000

3 TT3 P6,7 1025 0.081410.0000

8 2421.63 0.00000 0.0000000 0.0000000

4 TT4 P6,7 820 0.068610.0000

8 3670.68 0.00000 0.0000000 0.0000000

5 TT5 P6,7 360 0.073960.0000

8 5467.87 0.00000 0.0000000 0.0000000

6 TT6 P6,7 188 0.074020.0000

8 6253.74 0.02085 0.0000243 0.0000243

7 TT7 P6,7 104 0.066410.0000

8 7399.90 0.03483 0.0000201 0.0000444

17

8 TT8 P6,7 120 0.070880.0000

8 9186.43 0.04967 0.0000354 0.0000798

9 TT9 P6,7 128 0.071450.0000

8 11800.00 0.06328 0.0000484 0.0001282

10 TT10 P6,7 102 0.075200.0000

8 14523.41 0.07225 0.0000464 0.0001746

11 TT11 P6,7 125 0.070480.0000

8 17261.63 0.07841 0.0000578 0.0002324

12 TT12 P6,7 98 0.064690.0000

8 19542.19 0.08223 0.0000436 0.0002761

13 SL1 P6,7 130 0.039550.0001

7 6255.06 0.02087 0.0000180 0.0002940

14 SL2 P6,7 105 0.026680.0001

7 6918.39 0.02953 0.0000138 0.0003079

15 SL3 P6,7 85 0.035610.0001

7 69917.03 0.10304 0.0000522 0.0003601

TT1 TT2 TT3 TT4 TT5 TT6 TT7 TT8 TT9 TT10 TT11 TT12 SL1 SL2 SL30.000000

0.000010

0.000020

0.000030

0.000040

0.000050

0.000060

0.000070

Phân phối tần suất sụp đổ hàng năm trụ P6,7

AF

Hình 3.11. Xác suất sụp đổ trụ P6, P7 theo từng loại tàu, sà lanBảng 3.13. Xác suất sụp đổ hàng năm tính toán của toàn cầu.


1 P5 0.000132167

0.000984524 0.0012 P6 0.0003600953 P7 0.0003600954 P8 0.000132167

18

Trụ P5 Trụ P6 Trụ P7 Trụ P80

0.00005

0.0001

0.00015

0.0002

0.00025

0.0003

0.00035

0.0004

Phân phối xác suất sụp đổ hàng năm theo trụ cầu

AF

Hình 3.12. Xác suất sụp đổ hàng năm theo trụ cầuBảng 3.14. Tàu, sà lan lựa chọn thiết kế tính toán lực va xô

TRỤ P5STT Phân loại DWT (T) LOA (m) Bm(m) Dft(m) Vtk(m/s) N1 TT11 800 49.9 12 3.5 3.15 125

TRỤ P62 TT11 800 49.9 12 3.5 5.09 125

TRỤ P73 TT11 800 49.9 12 3.5 5.09 125

TRỤ P84 TT11 800 49.9 12 3.5 3.15 125

Kết quả phân tích xác suất sụp đổ hàng năm cho các trụ P5-P8 thể hiện trong bảng 3.14 và 3.15. Xác suất sụp đổ hàng năm của toàn cầu được trình bày trong bảng 3.16. Kết quả cho thấy xác suất sụp đổ của toàn cầu là 0.000984524, nhỏ hơn giá trị giới hạn trong tiêu chuẩn TCVN 11823: 2017 ([AF]=0.001), như vậy cầu Hiệp Thượng đủ đảm bảo khả năng chống va xô dưới tác dụng của va xô tàu thuyền theo TCVN 11823: 2017. Tuy nhiên kết quả cũng cho thấy xác suất sụp đổ là rất gần với giá trị giới hạn cho phép, có nghĩa là độ dự trữ an toàn là rất nhỏ. Cần lưu ý rằng xác suất sụp đổ này có thể thay đổi theo thời gian do các số liệu tính toán đầu vào có thể thay đổi khi tính toán ở các thời điểm khảo sát khác nhau như hiện trạng vật liệu trụ cầu, đặc điểm giao thông thủy, số liệu thủy văn,…

Dựa trên cơ sở phân tích xác suất sụp đổ của các trụ cầu, các loại tàu, sà lan thiết kế cho từng trụ được tổng hợp trong bảng 3.17. Tất cả các trụ cầu đều phải chon tàu TT11 có trọng tải là 800T làm tàu thiết kế va xô. Tuy nhiên các giá trị vận tốc va thiết kế cho tàu này là không giống nhau cho các trụ; hai trụ gần tim khổ thông thuyền có giá trị vận tốc va thiết kế là 5,09 m/s lớn hơn rất nhiều so với giá tri vận tốc va thiết kế với trụ gần bờ hơn P5 và P8, là 3,15m/s.

Hình 3.18 thể hiện kết quả tính toán lực va xô lên các trụ cầu theo hai phương pháp tra bảng trong 22TCN 272-05 và PPPTXS thống kế trong TCVN 11823:2017. Kết quả cho thấy đối với hai trụ giữa sông (P6 và P7) các giá trị tính toán chênh lệch không đáng kể (3,01%) trong khi hai trụ gần bờ hơn là P5 và P8, giá trị tính toán va xô ngang chênh lệch rất lớn (39,84%). Lực va xô nếu tính theo 22TCN 18-79, sẽ cho giá trị là 90T882KN. Như vậy giá trị này là rất nhỏ so với các giá trị tính toán theo hai phương pháp còn lại.

19

22TCN 18-79 22TCN 272-05: TCVN11823-P3 TCVN11823-P4 TCVN11823-P5 TCVN11823-P60

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

18000

20000

=882.00

=17797.30

=10706.25

5799.62KN =17261.63

=10706.25

LỰC VA XÔ TÀU THUYỀN THEO PHƯƠNG NGANG CẦU-CẦU HIỆP THƯỢNG

Lực

va x

ô (

KN

)

Hình 3.13. Lực va xô tính toán theo từng trụ cầu theo các tiêu chuẩn thiết kế3.7.3. Kết quả tính toán va xô cho trụ cầu Ghành Hào, Cà Mau Kết quả tính toán xác suất sụp đổ hàng năm của trụ P3 và P4 (tương tự nhau) thể hiện trong bảng 3.18. Tàu thuyền tính toán dựa trên kết quả thu thập, khảo sát được chia thành 12 loại: 9 nhóm tàu và 3 nhóm sà lan tính toán. Xác suất sụp đổ tổng cộng của toàn cầu tính toán là 0.002526192, giá trị này vượt quá giá trị cho phép là [AF]=0.001, do vậy cầu không đảm bảo khả năng kháng va xô theo qui định trong TCVN 11823:2017. Cầu cần phải được xem xét, tăng cường khả năng kháng va xô.Hình 3.19 cho thấy xác suất sụp đổ hàng năm đối với trụ cầu P3,P4 gây ra do nhóm tàu TT6 có giá trị lớn nhất (AF=0.000301), do vậy tàu này cần phải được chọn làm tàu tính toán thiết kế lực va xô lên trụ cầu (bảng 3.20).Hình 3.21 thể hiện kết quả tính toán lực va xô ngang vào trụ cầu theo hai phương pháp trên. Kết quả cho thấy giá trị tính toán theo 22TCN 272-05 nhỏ hơn so với tính theo PPPTXS thống kê trong TCVN 11823:2017. Tuy nhiên giá trị này không chênh lệch đáng kể (4.45%). Kết quả tương tự nhận được khi tính toán giá trị lực va xô theo 22TCN 18-79 thể hiện trong hình 3.21.

Bảng 3.15. Xác suất sụp đổ hàng năm tính toán của trụ P3,4 cầu Ghành Hào


1 TT1 P3 1020 0.158720 0.000167 1002.39 0.000000 0.000000 0.0000002 TT2 P3 2508 0.157799 0.000167 1928.31 0.000000 0.000000 0.0000003 TT3 P3 1660 0.124565 0.000167 2970.75 0.000000 0.000000 0.0000004 TT4 P3 155 0.104586 0.000167 4229.28 0.004684 0.000013 0.0000135 TT5 P3 230 0.106380 0.000167 6013.08 0.036256 0.000148 0.0001616 TT6 P3 286 0.111351 0.000167 8249.70 0.056550 0.000301 0.0004627 TT7 P3 210 0.098025 0.000167 9285.70 0.062638 0.000215 0.0006778 TT8 P3 140 0.102525 0.000167 11314.71 0.071330 0.000171 0.0008489 TT9 P3 150 0.102770 0.000167 14375.25 0.079800 0.000205 0.001053

10 SL1 P3 115 0.056994 0.000334 6292.00 0.039574 0.000087 0.00114011 SL2 P3 98 0.036533 0.000334 6952.57 0.046371 0.000055 0.00119512 SL3 P3 85 0.051488 0.000334 6948.32 0.046331 0.000068 0.001263

Bảng 3.16. Xác suất sụp đổ hàng năm toàn cầu

20


1 P3 0.0012630960.002526192 0.001

2 P4 0.001263096

TT1 TT2 TT3 TT4 TT5 TT6 TT7 TT8 TT9 SL1 SL2 SL30.000000

0.000050

0.000100

0.000150

0.000200

0.000250

0.000300

0.000350

Phân phối xác suất sụp đổ trụ P3, P4

AF


P3 P40

0.0002

0.0004

0.0006

0.0008

0.001

0.0012

0.0014Phân phối xác xuất sụp đổ hàng năm của các trụ cầu

Tru cau

AF

Hình 3.15. Xác suất sụp đổ hàng năm của các trụ cầuBảng 3.17. Tàu, sà lan lựa chọn thiết kế tính toán lực va xô cho trụ P3, P4

STT Phân loạiDWT (T)

LOA (m) Bm(m) Dft(m)

Vtk(m/s) N

1 TT6 200 28.1 5.9 2.35 4.86 286

22TCN 18-79 22TCN 272-05: TCVN 11823-P3 TCVN 11823-P40

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

=784.00

=7898.15=8249.70 =8249.70

LỰC VA XÔ TÀU THUYỀN THEO PHƯƠNG NGANG CẦU-CẦU GHÀNH HÀO

Lực

va x

ô (K

N)

Hình 3.16. Lực va xô tính toán theo từng trụ cầu theo các tiêu chuẩn thiết kế

21

3.7.4. Kết quả tính toán va xô cho trụ cầu Mỏ Nhát, Vũng TàuCác bảng 3.21-3.24 trình bày kết quả tính toán xác suất sụp đổ cho lần lượt các trụ P3-

P7. Trong đó xác suất sụp đổ cho từng loại tàu, sà lan đã được tính toán. Trên cơ sở kết quả tính toán này, biểu đồ phân phối xác suất sụp đổ đối với từng loại tàu, sà lan cho các trụ cầu được trình bày trong các hình 3.22-3.25. Dựa trên kết quả này cũng có thể xác định được tàu, sà lan thiết kế cho từng trụ cầu. Kết quả lựa chọn tàu, sà lan thiết kế được tổng hợp trong bảng 3.26.

Hình 3.27 thể hiện kết quả tính toán lực va xô (ngang) vào các trụ cầu theo hai tiêu chuẩn thiết kế (TCVN 11823:2017 và 22TCN 272-05). Kết quả cho thấy lực va xô tính toán theo TCVN 11823:2017 có giá trị nhỏ hơn 22TCN 272-05 ở tất cả các trụ, tuy nhiên giữa hai phương pháp có giá trị chênh lệch không nhiều ở hai trụ P5 và P6, là hai trụ gần khổ thông thuyền (18,95%). Trong khi giá trị tính toán ở ba trụ P3, P4 và P7 chênh lệch khá lớn, lần lượt là 64,28%; 61,20% và 63,65%. Lực va xô tàu thuyền tính theo 22TCN 18-79 cho giá trị 882KN, giá trị này chỉ bằng 15% giá trị nhỏ nhất của trụ tính theo TCVN 11823:2017.

Bảng 3.18. Xác suất sụp đổ hàng năm tính toán của trụ P3 cầu Mỏ Nhát


1 TT1 P3 3890 0.086075 0.000147 440.19 0.0000000.00000

00.00000

0

2 TT2 P3 2560 0.093847 0.000147 762.43 0.0000000.00000

00.00000

0

3 TT3 P3 1560 0.075593 0.000147 984.29 0.0000000.00000

00.00000

0

4 TT4 P3 1020 0.063934 0.000147 1392.00 0.0000000.00000

00.00000

0

5 TT5 P3 658 0.071954 0.000147 1704.84 0.0000000.00000

00.00000

0

6 TT6 P3 370 0.069666 0.000147 1968.59 0.0000000.00000

00.00000

0

7 TT7 P3 250 0.063426 0.000147 2200.95 0.0000000.00000

00.00000

0

8 TT8 P3 145 0.068683 0.000147 2411.01 0.0000000.00000

00.00000

0

9 TT9 P3 105 0.069521 0.000147 2784.00 0.0000000.00000

00.00000

0

10 TT10 P3 120 0.073683 0.000147 3409.69 0.0000000.00000

00.00000

0

11 TT11 P3 90 0.069848 0.000147 3937.17 0.0000000.00000

00.00000

0

12 TT12 P3 68 0.064262 0.000147 4401.89 0.0000000.00000

00.00000

0

13 SL1 P3 180 0.038452 0.000294 6045.34 0.0118610.00002

40.00002

4

14 SL2 P3 165 0.026072 0.000294 6382.43 0.0171030.00002

20.00004

6

15 SL3 P3 85 0.035748 0.000294 6455.62 0.0181690.00001

60.00006

2

22


0.000005

0.000010

0.000015

0.000020

0.000025

0.000030

Phân phối tần suất sụp đổ hàng năm trụ P3 theo tàu, sà lan

AF



STT Loại tàu Trụ N PG PA PS PC AF Sum AF

1 TT1 P4 3890 0.103136 0.000147 440.19 0.0000000.00000

0 0.000000

2 TT2 P4 2560 0.107983 0.000147 762.43 0.0000000.00000

0 0.000000

3 TT3 P4 1560 0.086298 0.000147 984.29 0.0000000.00000

0 0.000000

4 TT4 P4 1020 0.072786 0.000147 1392.00 0.0000000.00000

0 0.000000

5 TT5 P4 658 0.078515 0.000147 1704.84 0.0000000.00000

0 0.000000

6 TT6 P4 370 0.078521 0.000147 1968.59 0.0000000.00000

0 0.000000

7 TT7 P4 250 0.070494 0.000147 2200.95 0.0000000.00000

0 0.000000

8 TT8 P4 145 0.075244 0.000147 2411.01 0.0000000.00000

0 0.000000

9 TT9 P4 105 0.075858 0.000147 2784.00 0.0000000.00000

0 0.000000

10 TT10 P4 120 0.079841 0.000147 3409.69 0.0000000.00000

0 0.000000

11 TT11 P4 90 0.074848 0.000147 4086.73 0.0000000.00000

0 0.000000

12 TT12 P4 68 0.068702 0.000147 6820.85 0.0052270.00000

3 0.000003

13 SL1 P4 180 0.042015 0.000294 6107.32 0.0000000.00000

0 0.000003

14 SL2 P4 165 0.028340 0.000294 6566.93 0.0011320.00000

1 0.00000515 SL3 P4 85 0.037827 0.000294 6617.21 0.001968 0.00000 0.000006

23

2


0.000002

0.000004


AF


Bảng 3.20. Xác suất sụp đổ hàng năm tính toán của trụ P5,6 cầu Mỏ Nhát


1 TT1 P5 3890 0.103697 0.000147 440.190.00000

0 0.0000000.00000

0

2 TT2 P5 2560 0.108377 0.000147 983.920.00000

0 0.0000000.00000

0

3 TT3 P5 1560 0.086476 0.000147 2092.490.00000

0 0.0000000.00000

0

4 TT4 P5 1020 0.072888 0.000147 3331.220.00000

0 0.0000000.00000

0

5 TT5 P5 658 0.078575 0.000147 5150.520.00000

0 0.0000000.00000

0

6 TT6 P5 370 0.078631 0.000147 5643.450.00000

0 0.0000000.00000

0

7 TT7 P5 250 0.070557 0.000147 6910.780.00660

5 0.0000170.00001

7

8 TT8 P5 145 0.075301 0.000147 8634.520.02746

8 0.0000440.00006

1

9 TT9 P5 105 0.075913 0.000147 11116.080.04614

0 0.0000540.00011

5

10 TT10 P5 120 0.079895 0.000147 13717.640.05846

2 0.0000820.00019

8

11 TT11 P5 90 0.074881 0.000147 16550.400.06747

3 0.0000670.00026

5

12 TT12 P5 68 0.068726 0.000147 18855.450.07280

8 0.0000500.00031

5

13 SL1 P5 180 0.042024 0.000294 6260.460.00000

0 0.0000000.00031

5

14 SL2 P5 165 0.028343 0.000294 6896.070.00638

2 0.0000090.00032

415 SL3 P5 85 0.037830 0.000294 6998.45 0.00791 0.000007 0.00033

24

4 1


0.000010

0.000020

0.000030

0.000040

0.000050

0.000060

0.000070

0.000080

0.000090

Phân phối tần suất sụp đổ hàng năm trụ P5,6 theo tàu, sà lan

AF




1 TT1 P7 38900.10157

8 0.000147 440.19 0 0 0

2 TT2 P7 25600.11063

7 0.000147 762.43 0 0 0

3 TT3 P7 15600.08903

7 0.000147 984.29 0 0 0

4 TT4 P7 10200.07527

7 0.000147 1392.00 0 0 0

5 TT5 P7 6580.08468

9 0.000147 1704.84 0 0 0

6 TT6 P7 3700.08202

6 0.000147 1968.59 0 0 0

7 TT7 P7 2500.07465

7 0.000147 2200.95 0 0 0

8 TT8 P7 1450.08083

9 0.000147 2411.01 0 0 0

9 TT9 P7 1050.08182

2 0.000147 2784.00 0 0 0

10 TT10 P7 1200.08671

9 0.000147 3409.69 0 0 0

11 TT11 P7 900.08219

5 0.000147 3937.17 0 0 0

12 TT12 P7 680.07561

8 0.000147 4401.89 0 0 0

13 SL1 P7 1800.04524

3 0.000294 6152.68 0.013593 0.000033 0.000033

14 SL2 P7 1650.03067

5 0.000294 6673.10 0.021198 0.000032 0.000064

15 SL3 P7 850.04205

8 0.000294 6709.79 0.021690 0.000023 0.000087

25

TT1 TT2 TT3 TT4 TT5 TT6 TT7 TT8 TT9 TT10 TT11 TT12 SL1 SL2 SL30

0.000005

0.00001

0.000015

0.00002

0.000025

0.00003

0.000035


AF

Hình 3.20. Xác suất sụp đổ trụ P7 theo từng loại tàu, sà lanBảng 3.22. Xác suất sụp đổ hàng năm toàn cầu Mỏ Nhát

STT Trụ Sum AFi Sum AF (total) [AF]1 P3 0.000062

0.000817 0.0012 P4 0.0000063 P5 0.0003314 P6 0.0003315 P7 0.000087

Trụ P3 Trụ P4 Trụ P5 Trụ P6 Trụ P70

0.00005

0.0001

0.00015

0.0002

0.00025

0.0003

0.00035

Phân phối xác suất sụp đổ hàng năm theo trụ cầu

AF

Hình 3.21. Xác suất sụp đổ hàng năm theo trụ cầu

Bảng 3.23. Lựa chọn loại tàu, sà lan tính toán thiết kế va xô cho các trụ cầuTRỤ P3

STT Phân loại DWT (T) LOA (m) Bm(m) Dft(m) Vtk(m/s) N1 SL1 200 70 8.8 1.7 1.16 180

TRỤ P42 TT12 1000 56.2 12.5 3.7 1.80 68

TRỤ P53 TT10 600 40.5 10 3.1 4.67 120

TRỤ P64 TT10 600 40.5 10 3.1 4.67 120

TRỤ P75 SL1 200 70 8.8 1.7 2.14 180

26

22TCN 18-79 22TCN 272-05:

TCVN11823-P3

TCVN11823-P4

TCVN11823-P5

TCVN11823-P6

TCVN11823-P7

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

18000

=882.00

=16924.51

5799.62KN =6566.93

=13717.64 =13717.64

=6152.68

LỰC VA XÔ TÀU THUYỀN THEO PHƯƠNG NGANG CẦU - CẦU MỎ NHÁT

Lực

va x

ô (

KN

)

Hình 3.22. Lực va xô tính toán theo từng trụ cầu theo các tiêu chuẩn thiết kế

27

CHƯƠNG 4. XÂY DỰNG MÔ HÌNH PHÂN TÍCH ĐỘNG VA CHẠM TÀU THUYỀN VÀO TRỤ CẦU BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN

4.1. Xây dựng mô hình phần tử hữu hạn va chạm tàu thuyền (sà lan) với trụ cầuMô phỏng phương pháp PTHH của tàu, thuyền, sà lan

Các mô hình phần tử hữu hạn của sà lan mở bao gồm các phẩn tử gạch 8 nút cho các cấu kiện dầm, khung đỡ, hay các phần mũi đặc, các phần tử vỏ 4 nút cho tấm thép vỏ sà lan. Một ví dụ về đặc điểm cụ thể của mô hình sà lan điển hình được đưa ra dưới đây (hình 4.5).

Hình 4.23: Ví dụ các tham số mô phỏng về kích thước chi tiết sà lan[16]Thông thường để đảm bảo độ chính xác cao, một vùng của mũi sà lan được mô hình

hóa bằng cách sử dụng mật độ cao lưới phần tử hữu hạn của phần tử vỏ (hình 4.6). Khu hai là phần còn lại của mũi sà lan và phần dẫn của phễu [16]. Khu vực này được mô phỏng với các phần tử vỏ cho các tấm bên ngoài và các phần tử dầm qua độ cứng bên trong. Cuối cùng, khu vực ba là phần lớn nhất của các sà lan. Vùng này chứa phễu và phía sau phần của sà lan. Khu vực này được mô phỏng bằng phân tử gạch vì không có biến dạng đáng kể dự kiến trong khu vực này.

Mô hình hóa xét đến đầy nổi của nước. Mô hình này cho phép tăng độ chính xác của kết quả phân tích, tuy nhiên khối lượng

tính toán tăng lên rất nhiều do phải xét đến lực đẩy nổi của sà lan do nước. Theo mô hình phân tích này, một nhóm liên kết lò xo rời rạc đàn hồi tuyến tính được đặt ở mặt dưới của sà lan trong mô hình phần tử hữu hạn [12]. Các lò xo được phân bố đều khắp các điểm nút trong khu vực ba. Hình ảnh dưới đây cho thấy các vị trí của các lò xo đẩy nổi (hình 3.6).

Hình 4.24. Ví dụ mô hình hóa liên kết lò xo ở mặt dưới đáy sà lan tiếp xúc với nước [16]Mô hình tính toán PTHH của trụ cầu

Trụ được mô hình hoá bằng cách sử dụng sự kết hợp của các phần tử gạch 8 nút (Abaqus) và các phần tử lò xo phi tuyến rời rạc. Phần tử đã được sử dụng để có khả năng mô tả chính xác sự phân bố của khối lượng trong các trụ cầu cho các hiệu ứng động. Để mô hình cấu trúc nguyên khối, tất cả các yếu tố khác nhau của các trụ, trụ cột, tường chịu cắt và mũ cọc được nối lại với nhau một lưới phần tử hữu hạn mà đã có các nút thông thường tại các giao diện phần. Hình minh họa của lưới được sử dụng tại các mặt tiếp xúc giữa các cột trụ, tường chịu cắt và xà mũ cọc cho trụ được thể hiện trong hình 4.10. Lưu ý rằng các lưới được đánh đường đồng mức để các phần khác nhau của các trụ đều có các nút trùng tại các vị trí tiếp xúc. Để tăng độ chính xác và vẫn đảm bảo thời gian tính toán không quá lơn, một số vùng ứng xử cục bộ của trụ có thể được chia lưới PTHH với mật độ dày hơn như vùng va chạm với mũi tàu, sà lan, vùng ứng suất lớn chỗ tiếp giáp với bệ trụ.

28

Hình 4.25: Chia nhỏ các phần tử của trụ bê tông nguyên khối [16]Ngoài hình học, mỗi cấu trúc trụ có một mô hình tương tác đất-cọc chi tiết đã được

phát triển bằng cách sử dụng dữ liệu đất từ các bản vẽ gốc hồ sơ, phân tích đất FB-PIER và qui trình cơ học đất truyền thống. Chi tiết về các mô hình lò xo đất được giới thiệu ở phần sau. Thuộc tính vật liệu

Mô hình chính xác của bê tông cốt thép đòi hỏi một mô hình vật liệu phức tạp: bê tông phi tuyến tính và ứng xử của thép, mô hình nứt bê tông…. Vật liệu thép sà lan, tàu thuyền cũng cần được mô hình phi tuyến tính (xem phần sau). Tuy nhiên trong các bài toán mô phỏng va chạm đơn giản ở tốc độ va chạm thấp và trung bình, cho phép mô hình hóa trong phạm vi đàn hồi của vật liệu bê tông và thép. Bảng 4.1 ví dụ các thuộc tính được sử dụng cho các mô hình vật liệu đàn hồi tuyến tính có thể được sử dụng cho bê tông ở trụ cầu bê tông.

Bảng 4.24. Giá trị thông số vật liệu trụ

STT Thông số vật liệu

1 Trọng lượng riêng 23563 N/m3

2 Modun đàn hồi 2,7786e+10 N/m2

3 Hệ số Poisson’s 0.15

Mô hình tương tác giữa cọc và đấtĐể mô hình đầy đủ tương tác giữa trụ cầu với nền đất, đặc trưng cho ứng xử của trụ

cầu dưới tác động động ngang, cần mô hình sức kháng của đất chuyển động xung quanh các cọc. Phương pháp truyền thống của mô hình số để tính gần đúng các tương tác giữa các cọc và đất được sử dụng trong mô hình đầy đủ này. Trong đó, tại mỗi điểm nút ba phần tử lò xò rời rạc đã được sử dụng để đại diện cho tương tác đất-kết cấu [10,16]. Các lò xo gồm hai lò xo ngang và một lò xo dọc trục (theo chiều dọc). Một minh họa về việc bố trí lò xò mỗi nút cọc được thể hiện trong hình 4.11.

Nhiều nghiên cứu cũng cho phép sử dụng mô hình PTHH trụ cầu với điều kiện biên giản lược, cho phép giả thiết bệ trụ ngàm tại đáy bệ, nghĩa là không xét đến hệ cọc của trụ cũng như tương tác giữa cọc với đất nền. Giả thiết này cho phép giảm khá nhiều thời gian và khối lượng mô hình tính toán, tuy nhiên trong nhiều trường hợp trụ có bệ móng cao, chiều dài tự do của cọc lớn có thể gây ra sai số lớn trong mô hình phân tích, nên cần được xem xét thận trọng cho từng trường hợp.

29

4.2. Ví dụ áp dụngCác giả thiết trong mô hình PTHH.

Trong khi xây dựng mô hình phân tích sử dụng một số giả thiết để đơn giản hóa mô hình phân tích động sau đây được sử dụng:

- Bỏ qua không xét đến các lực đẩy nổi của nước tác dụng vào sà lan;- Không xét đến tương tác giữa cọc với trụ cầu;- Không xét đến ảnh hưởng của kết cấu nhịp và hoạt tải truyền xuống trụ cầu;- Giả thiết điều kiện biên trụ cầu: liên kết đáy bệ là ngàm cứng;

Mô hình phân tích động va chạm giữa sà lan vào trụ cầu dưới đây được xây dựng trong phần mềm phân tích kết cấu Abaqus, dựa trên phương pháp PTHH. Các thông số cơ bản được sử dụng trong mô hình phân tích:Mô hình vật liệu

Trường hợp nghiên cứu trong báo cáo này sử dụng mô hình vật liệu, phân tích phi tuyến như sau: bao gồm bê tông, cốt thép trụ cầu, thép sà lan. Mô hình vật liệu bê tông trụ cầu: mô hình bê tông phá hoại dẻo (Concrete Damaged Plasticity - CDP) được sử dụng để mô tả tính chất vật liệu ở cả vùng kéo và nén của bê tông trụ cầu. Các thông số chính để xác định mô hình vật liệu này là cường độ chịu nén (fc’), cường độ chịu kéo (ft), mô đun đàn hồi (Ec), và hệ số poisson (ν). Các thông số này được lấy với các giá trị với cường độ chịu nén. Các tham số khác trong mô hình giả thiết như bảng. Cốt thép trong bê tông có các đặc trưng cơ lý: mô đuyn đàn hồi Es= 200 Gpa; cường độ chịu kéo σsy= 500 Mpa; hệ số poison ν=0,3 (hình 4.12). Mô hình này được dùng trong cả ứng xử kéo và nén của cốt thép. Thép làm sà lan: thép được xem như vật liệu đàn hồi dẻo, đẳng hướng, có các đặc trưng cơ lý: Mô đuyn đàn hồi E s= 205 Gpa; cường độ chịu kéo σsy= 267Mpa; σsy= 401 Mpa; hệ số poison ν=0,3. Thông số đầu vào của trụ cầu được thể hiện trong bảng 4.2 và hình 4.12.

Bảng 4.25. Thông số đầu vào của mô hình phi tuyến vật liệu bê tông

Bê tông

fc’(Mpa) ft(Mpa) Ec(Mpa) Ν

30 1,34 22510 0,2Tham số mô hình phá hoại dẻo

Kc ε σbo/ σco

ψ µ

2/3 0,1 1,16 30o 1E-5

Hình 4.26. Đặc trưng vật liệu: a) Bê tông; b) cốt thép bê tông; c) Thép sà lan

Mô hình kết cấuMô hình hóa hình học của sà lan.

30

Nghiên cứu này sử dụng một mô hình sà lan thiết kế va chạm, kích thước chi tiết sà lan được thể hiện trên hình 4.14. Gồm các kích thước sau: Chiều dài toàn sà lan L b = 40,0m, bề rộng sà lan BM = 10,0m, chiều cao Dv = 3,0m, các kích thước mũi sà lan lần lượt là HL= 0,5m; DB = 3,0m; RL= 4,0m; và kích thước lòng sà lan 34,0x8,5x2,5m. Sà lan có tổng trọng tải là 500T.

Hình 4.27: Mô hình PTHH (3D) chi tiết của sà lanMô hình hóa hình học trụ cầu:

Trụ cầu bê tông cốt thép có tiết diện tròn. Tiết diện trụ đường kính 1,5m. Trụ cầu có chiều cao h=12m; bề rộng xà mũ b=10,0m, cao 1,5m, rộng bằng thân trụ; kích thước bệ móng 12mx4mx2m. Mô hình hóa phần tử hữu hạn của trụ như trên hình 4.15. Bê tông trụ cầu được sử dụng với các thông số cho trong bảng 4.2. Cốt thép chịu lực của thân trụ giả thiết sử dụng 20 thanh thép đường kính 32 (mm), thông số vật liệu thép thân trụ cho trong phần mô hình vật liệu (xem phần trước).

Hình 4.28. Mô hình PTHH cho trụ cầuĐiều kiện biên của mô hình:

Sà lan được mô phỏng di chuyển tự do với vận tốc va chạm V(m/s), không xét đến tương tác với nước. Vị trí va chạm được mô phỏng với trường hợp cơ bản là va chạm thẳng góc, có góc va chạm là từ 0o (hình 4.16). Điều kiện biên giản lược được sử dụng: coi thân trụ ngàm cứng tại bệ móng; coi đỉnh trụ chuyển vị tự do, không xét đến ảnh hưởng của hoạt tải trên kết cấu nhịp. Vận tốc di chuyển của sà lan là giá trị ngay trước thời điểm va chạm (mốc thời gian t=0s). Tiếp xúc giữa sà lan và mặt trụ là tiếp xúc ma sát. Thời gian va chạm trong mô phỏng là 2s. Mốc thời gian tính từ thời điểm bắt đầu va chạm.

31

Hình 4.29. Góc va chạm giả định giữa sà lan và trụ cầu

Kết quả phân tích mô hình:Mô hình PTHH tổng thể của bài toán như trên hình 4.17. Trong đó trọng lượng sà

lan là 500T, vận tốc di chuyển trước va chạm là 10km/h (2.78m/s). Trường ứng suất, biến dạng của trụ cầu và sà lan trong một số thời điểm được thể hiện (trong hình 4.17). Dựa vào kết quả mô hình phân tích, lực va chạm giữa sà lan vào trụ cầu được tính toán như hình 4.19.

Trong đó giá trị lực va xô cũng được so sánh với các giá trị tính theo AASHTO và Eurocode 1. Có thể thấy giá trị lực va xô theo mô hình PTHH đạt giá trị lớn nhất là 13,60 MN; tại thời điểm 0,1s sau khi va chạm và giá trị này lớn hơn nhiều so với giá trị trong AASHTO (6,59 MN) và giá trị tính theo Eurocode 1 (4,39 MN). Tuy nhiên sau khi đạt giá trị đỉnh trong thời gian rất ngắn, lực va chạm này giảm nhanh và trở về không cuối thời gian va chạm. Trong thời gian va chạm giá trị ứng suất trong bê tông trụ cầu cũng được thể hiện rõ trong mô hình, trong đó vùng có ứng suất lớn nhất là vùng va chạm cục bộ giữa mũi sà lan và trân trụ; vùng bê tông chân thân trụ (tiếp giáp với bệ móng) như hình 4.17. Phần phá hủy cục bộ ở đầu sà lan tại vị trí va chạm với thân trụ cũng được thể hiện rõ (hình 4.17, hình 4.18)

Thời điểm va chạm sau t=0,10 s

Thời điểm va chạm sau t=0,20s

Hình 4.30. Mô hình phân tích va chạm giữa sà lan và trụ cầu thân hẹp tại một số thời điểm khác nhau

32

Hình 4.31. Chiều sâu phá hủy cục bộ mũi sà lan

0 0.5 1 1.5 2 2.5-2

0

2

4

6

8

10

12

14

16

22TCN-272-05(AASHTO) FEM (phương pháp PTHH) EUROCODE

Time (s)

Pt

(MN

)

Hình 4.32. Lực va xô sà lan vào tàu thuyền trong thời gian va chạm theo AASHTO và PTHH (FEM)

0 0.5 1 1.5 2 2.5

-10

-5

0

5

10

15

20

Chuyển vị theo phương X Chuyển vị theo phương Y Chuyển vị theo phương Z

Time (s)

mm

Hình 4.33. Chuyển vị theo thời gian va chạm tại các điểm trên đỉnh trụChuyển vị tại điểm đỉnh trụ theo cả 3 phương được thể hiện trên hình 3.20. Giá trị

chuyển vị này có biên độ thay đổi lớn theo thời gian va chạm, cả 3 phương đều có chuyển vị do tác động của lực va chạm, tuy nhiên phương có giá trị và biên độ chuyển vị lớn nhất là phương của lực va chạm tác động, giá trị lớn nhất đạt là 17,0 mm, các chuyển vị theo hai phương còn lại có giá trị lần lượt là 10,22mm và 5,41mm (hình 4.20). Các giá trị chuyển vị này đạt giá trị lớn tại thời điểm sau va chạm khoảng 0,1s sau đó cũng giảm dần về không ở cuối thời gian va chạm.4.3. Phân tích các tham số ảnh hưởng đến lực va xô tàu thuyền trong mô hình PTHH

Ảnh hưởng của vận tốc va chạm của sà lan đến lực va xô:Ảnh hưởng của thay đổi vận tốc đến lực va xô được thể hiện trên hình 4.21. Ba giá

trị vận tốc được sử dụng để đánh giá ảnh hưởng của thay đổi vận tốc đến lực va xô: 5; 10; 15 và 20 km/h được xem xét trong mô hình phân tích động PTHH. Giá trị lực va xô lớn nhất từ kết quả phân tích trong mô hình PTHH sau đó được so sánh với các tiêu chuẩn thiết kế AASHTO và Eurocode 1. Trong cả 3 phương pháp tính toán (PTHH, AASHTO, EUROCODE) thì đều thấy rằng giá trị tải trọng va xô tăng tỷ lệ thuận với vận tốc di chuyển của sà lan trước va chạm. Nếu lấy giá trị lớn nhất của lực va chạm (PTHH-FEM) để so sánh

33

thì mức độ tăng giữa 3 phương pháp thể hiện trên hình 4.21b. Có thể thấy là mức độ tăng giữa phương pháp PTHH và Eurocode là khá tương đồng, tuy nhiên khác biệt so với AASHTO. Kết quả phân tích từ mô hình PTHH cho thấy, các giá trị lực va chạm lớn nhất lần lượt là: 8,5; 13,6; 17,5 và 19,1 tương ứng với các vận tốc va chạm 5; 10; 15 và 20km/h.

0 0.5 1 1.5 2 2.50

5

10

15

20

25

V=5km/h V=10km/h V=15km/h V=20km/h

Time (s)

Forc

e Im

pac

t P

t (M

N)

.

4 6 8 10 12 14 16 18 20 220

5

10

15

20

25

22TCN-272-05(AASHTO) PTHH(Pmax) EURO code

Speed (km/h)

Fo

rce

Im

pa

ct P

t (M

N)

Hình 4.34. Ảnh hưởng của vận tốc đến lực va xô: a) lực va xô theo các vận tốc khác nhau; b) lực va xô lớn nhất so với các tiêu chuẩn thiết kế

Ảnh hưởng của hình dạng mặt cắt thân trụ và góc va chạm:Kết quả mô hình phân tích cho thấy khi sà lan va chạm thẳng góc với trụ cầu thì

luôn gây ra lực va chạm lớn nhất với cùng bề rộng trụ xem xét. Độ chênh lệch giữa lực va chạm thẳng góc với va chạm xiên tùy thuộc vào bề rộng thân trụ; lực va chạm lớn nhất khi thẳng góc với xiên góc 45o chênh nhau lớn nhất là 42,7% ở trường hợp trụ có bề rộng 2,0m, ở trường hợp than trụ rộng 1,5m và 1,0m, mức độ chênh lần lượt là 40,8% và 35,9% (hình 4.26 và 4.29). Kết quả phân tích cũng cho thấy lực va chạm ảnh hưởng lớn bởi chiều rộng thân trụ, khi chiều rộng trụ càng lớn thì lực va chạm vào trụ cầu cũng càng tăng (hình 4.29); khi chiều rộng thân trụ tăng từ 1,0m đến 2,0m thì lực va chạm lớn nhất tăng từ 16,89MN lên 21,38MN.

0 0.25 0.5 0.75 1 1.25 1.5 1.75 2-5

0

5

10

15

20

25

30

góc va: 0 độ góc va: 15 độ góc va: 30 độ góc va: 45 độ

Time (s)

Fo

rce

Im

pact

Pt

(MN

)

Hình 4.35. Ảnh hưởng của góc va chạm khi chiều rộng trụ cầu 1,0m

34

0 0.25 0.5 0.75 1 1.25 1.5 1.75 2-5

0

5

10

15

20

25

30

góc va 0 độ góc va: 15 độ góc va: 30 độ góc va:45 độ

Time (s)

Fo

rce

Im

pa

ct P

t (M

N)


0 0.25 0.5 0.75 1 1.25 1.5 1.75 20

5

10

15

20

25

30

góc va: 0 độ góc va: 15 độ góc va 30 độ góc va 45 độ

Time (s)

Fo

rce

Im

pact

Pt

(MN

)


Hình 4.38. Chênh lệch lực va chạm lớn nhất trong các trường hợpẢnh hưởng của hình dạng tiết diện trụ đến lực va xô:

0 0.5 1 1.5 2 2.50

5

10

15

20

25

Tiết diện chữ nhật Tiết diện tròn

Time (s)

Fo

rce

Im

pa

ct P

t (M

N)

35

Hình 4.39. Ảnh hưởng của tiết diện thân trụ đến lực va chạm: va chạm thẳng (0o).

0 0.5 1 1.5 2 2.5-2

0

2

4

6

8

10

12

14

Tiết diện chữ nhật Tiết diện tròn

Time (s)

Fo

rce

Im

pact

Pt

(MN

)

Hình 4.40. Ảnh hưởng của tiết diện thân trụ đến lực va chạm: va chạm góc 45o.

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2

-10

-5

0

5

10

15

20

25

Tiết diện chữ nhật (phương-X) Tiết diện tròn (phương -X)

Time (s)

imm

)

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2

-2

-1

0

1

2

3

4

5

6

Tiết diện chữ nhật (Phương X) Tiết diện tròn (phương X)

Time (s)

(mm

)

Hình 4.41. Ảnh hưởng của tiết diện trụ đến chuyển vị theo phương ngang cầua) góc va chạm thẳng (0o); b) góc va chạm 45o

Ảnh hưởng của tương quan kích thước giữa sà lan và trụ cầu, tiết diện thân trụ đến chiều sâu phá hoại mũi sà lan:

Kết quả phân tích thể hiện trên hình 4.33. Kết quả cho thấy, khi hệ số kích thước giảm thì chiều sâu phá hủy mũi sà lan tăng lên. So sánh hai trường hợp tiết diện trụ tròn và chữ nhật cho thấy, với cùng hệ số kích thước, chiều sâu phá hủy mũi sà làn ở trường hợp tiết diện chữ nhật luôn lớn hơn tiết diện trụ tròn trong các trường hợp có cùng hệ số tương quan kích thước (=bc/B).

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.80

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

bc/B=0.2-tiết diện chữ nhậtbc/B=0.4-tiết diện chữ nhậtbc/B=0.6-tiết diện chữ nhậtbc/B=0.2-tiết diện trònbc/B=0.4-tiết diện trònbc/B=0.6-tiết diện tròn

Time(s)

a(m

m

Hình 4.42. Ảnh hưởng tương quan kích thước trụ với sà lan đến chiều sâu phá hủy mũi sà lan

36

37

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

KẾT LUẬNGiá trị lực va xô thiết kế theo phân tích xác suất thống kê và lý thuyết độ tin cậy được

phân tích, so sánh với giá trị tính toán trong phương pháp hiện hành phổ biến ở Việt Nam hiện nay trong 22TCN 272-05 và với tiêu chuẩn thiết kế 22TCN 18-79. Kết quả cho thấy giá trị tính toán va xô theo phân tích xác suất thống kê và lý thuyết độ tin cậy hầu hết là nhỏ hơn giá trị tính theo phương pháp tra bảng trong 22TCN 272-05, đặc biệt đối với các trụ cầu có vị trí nằm xa khổ thông thuyền (gần bờ, nhưng vẫn nằm trong phạm vi tính toán va xô); nhưng lại lớn hơn nhiều so với giá trị tính theo 22TCN 18-79. Trong phạm vi đề tài đã tiến hành khảo sát, tính toán va xô theo phân tích xác suất thống kê và lý thuyết độ tin cậy cho 4 công trình cầu, trong đó có 3 cầu cũ, đang khai thác; 1 cầu thiết kế mới. Hai cầu vượt sông thông thuyền cấp II; hai cầu vượt sông thông thuyền cấp III. Các cầu được chọn nằm ở cả các sông đồng bằng sông Hồng và cả đồng bằng sông Cửu Long nhằm đánh giá ảnh hưởng của điều kiện giao thông đường thủy của cả hai khu vực trong tính toán va xô.

Một phần của đề tài đã trình bày kết quả phân tích ứng xử động của trụ cầu dưới tác dụng va xô của tàu, thuyền. Trong đó mô hình PTHH giản đơn đã được sử dụng để phân tích các ảnh hưởng của các tham số kết cấu và vật liệu của trụ cầu và sà lan đến lực va chạm động vào trụ cầu.KIẾN NGHỊ

Trên cơ sở kết quả nghiên cứu, đề tài kiến nghị cần triển khai áp dụng ngay tính toán va xô theo phân tích xác suất thống kê và lý thuyết độ tin cậy trong một số trường hợp cụ thể sau đây:

- Các cầu vượt sông có cấp thông thuyền từ cấp III trở lên (cấp III, cấp II và cấp I). - Các cầu (bao gồm cả cầu vượt sông thông thuyền cấp V và cấp VI) nằm trong khu vực có đặc điểm giao thông đường thủy phức tạp như gần bến cảng đường thủy, gần bến tập kết vật liệu đường thủy, gần chợ nổi,..là các khu vực có mật độ giao thông thủy cao, tần suất lớn. - Các cầu nằm trong khu vực sông có tính chất phức tạp về hình thái như sông gần cửa

biển, ngã ba sông, sông nằm trên đoạn cong,… - Các cầu nằm trong ranh giới giữ hai khu vực sông có cấp thông thuyền khác nhau. Việc nghiên cứu, phân tích ứng xử động của trụ cầu chịu tải trọng va xô cũng cần được

xem xét trong tính toán thiết kế trụ của các công trình cầu, đặc biệt là với các công trình cầu quan trọng (cấp đặc biệt) hoặc các trụ cầu có bố trí kết cấu đặc thù (như trụ cầu có kết cấu giảm chấn, vật liệu composite,…) nhằm phân tích đầy đủ và chính xác hơn các ứng xử cục bộ của trụ cầu; xem xét điều chỉnh một số tham số trong tính toán lực va để phù hợp với ứng xử va chạm thực tế của trụ cầu với tàu, thuyền hay sà lan va chạm.

38

Documents

MỞ ĐẦU T… · Web viewMỞ ĐẦU Tính cấp thiết của nghiên cứu Hiện nay ở Việt Nam có nhiều cầu lớn vượt sông được xây dựng. Các cầu này