Tiêu chuẩn TCVN 13594-4:2022 về Thiết kế cầu đường sắt khổ 1435mm, vận tốc đến 350 km/h - Phần 4

• Số hiệu: TCVN13594-4:2022
• Loại văn bản: Tiêu chuẩn Việt Nam
• Nơi ban hành: ***
• Người ký: ***
• Ngày ban hành: Năm 2022

Mặc dù việc sử dụng các phần tử dầm Euler-Bernoulli cho dầm nói chung là đủ, nhưng việc sử dụng các phần tử dầm Timoshenko sẽ cung cấp kết quả chính xác hơn, với sự gia tăng nỗ lực tính toán ít, không có sự khác biệt trong lưới và không tăng số lượng dữ liệu đầu ra.

Hầu hết các dạng phần tử dầm hiện tại chỉ bao gồm xoắn Saint-Venant trong khi bỏ qua sự xoắn cong vênh, vì sáu bậc tự do sẵn có chỉ có thể điều chỉnh ứng xử phẳng. Một số chương trình có thể kể đến các công thức phần tử dầm bao gồm bậc tự do thứ bảy để cho phép kể đến trực tiếp độ cứng xoắn vênh, xem Hình A.2.

Hình A.2 - Phần tử dầm

A.2.3.4.4  Phần tử mặt

Sử dụng các phần tử mặt như tấm và vỏ để mô hình hóa các trường hợp trong đó độ dày nói chung nhỏ hơn nhiều so với kích thước hai hướng trực giao khác. Sự khác biệt chính giữa tấm và vỏ là: vỏ bao gồm ứng suất màng dọc trục trong mặt phẳng của các phần tử, tấm chịu ứng suất uốn và ứng suất cắt.

Hình A.3  Minh họa, a) Phần tử bản, b) Phần tử vỏ (shell)

Phần tử mặt nói chung được mô hình như hình tam giác hoặc tứ giác như Hình A.4. Phần tử tứ giác thương được sử dụng cho các diện tích dạng đều đặn trong PTPTHH của cầu, phần tử tam giác có thể được sử dụng, đặc biệt cho lưới chuyển của các dạng không đều đặn.

...

...

...

Hình A.4 - Minh họa, hình học phần tử mặt tiêu biểu

Cũng như phần tử dầm, kể cả biến dạng cắt sẽ luôn cung cấp kết quả chính xác hơn nếu mô hình chính xác, với sự tăng nhỏ về nỗ lực tính toán, không có sự khác nhau về tạo lưới, và cũng không cần tăng dữ liệu đầu vào.

A.2.3.4.5  Phần tử khối

Phần tử khối, Hình A.5, được sử dụng để mô hình hóa ứng xử 3D tổng quát ở mức phần tử của phân tích, chẳng hạn như khi ứng suất pháp theo độ dày dọc theo cả ba trục đều quan trọng. Do kích thước lưới của các phần tử khối được điều khiển theo độ dày của các cấu kiện do cân nhắc tỷ số mặt cắt, mô hình dầm hoặc bản với các phần tử khối có thể tạo ra các lưới mịn với nhiều bậc tự do, dẫn đến thời gian giải có thể kéo dài.

Hình A.5 - Minh họa, các dạng cơ bản của phần tử khối

Các phần tử khối đã được sử dụng để phân tích cục bộ, chẳng hạn như ứng suất tập trung trong liên kết hàn hoặc ứng suất trong vùng không liên tục (vùng D) của cầu bê tông, hiếm khi được sử dụng trong thiết kế cầu thông thường do khối lượng tính toán lớn và khó trích xuất các lực thiết kế hữu ích. Các phần tử đường và mặt thường là có khả năng đánh giá gần đúng ứng xử của các bộ phận cầu đủ cho mục đích thiết kế, trong khi ứng suất theo hướng xuyên qua chiều dày là không cần thiết.

A.2.3.5  Các điều kiện biên

Các điều kiện biên đề cập đến các trụ đỡ và gối áp dụng cho các mô hình. Các điều kiện biên sử dụng phổ biến nhất là các gối đỡ được lý tưởng hóa cho sự cố định hoàn toàn với chuyển dịch hoặc xoay. Các trụ đỡ thực tế không bao giờ hoàn toàn cố định hoặc hoàn toàn khớp, mà chỉ là tương đối. Các phân tích nâng cao có thể sử dụng ứng xử ma sát hoặc phi tuyến, chẳng hạn chỉ kéo hoặc chỉ nén,... Mô hình hóa các trụ đỡ không chính xác, chẳng hạn sự lệch hướng cố định, có thể ảnh hưởng lớn đến kết quả, ngay cả khi sự khác nhau trong các trụ đỡ xuất hiện là nhỏ.

...

...

...

Mô hình con đề cập kỹ thuật phân tích PTHH tạo mô hình lưới mịn hơn của một phần cụ thể khi muốn kết quả chính xác hơn. Sử dụng mô hình thô lớn hơn để tìm các lực và / hoặc chuyển vị tổng thể tại các biên của khu vực được chính xác, sau đó lực / chuyển vị tổng thể này được áp dụng cho mô hình con mịn hơn để xác định các hiệu ứng cục bộ trong khu vực đặc biệt đó.

A.2.4  Định nghĩa, so sánh và khả năng áp dụng phân tích một chiều, hai chiều và ba chiều

A.2.4.1  Định nghĩa

Một phân tích thường được mô tả là phân tích một chiều, hai chiều hoặc ba chiều.

Phân tích một chiều (1D) là phân tích trong đó các định lượng kết quả (mômen, lực cắt, tải trọng dọc trục, chuyển vị, v.v.) là hàm chỉ của không gian một chiều. Đối với kết cấu cong, kích thước này có thể đo dọc trục cong, tức là chiều tham chiếu không cần phải thẳng.

Tương tự, kết quả phân tích hai chiều (2D) là hàm của tọa độ không gian hai chiều, ví dụ phân tích lưới hoặc dầm bản lệch tâm (Plate with Eccentric Beam (PEB)).

Phân tích 3 chiều (3D) yêu cầu ba tọa độ để xác định kết quả. Nói chung trong bản bê tông 3D trên mô hình cầu dầm, dầm và khung ngang / vách ngăn được mô hình hóa với chiều cao rõ ràng.

Hình vẽ A.6 mô tả tiến trình chung về mức chính xác của phân tích cầu dầm bản liên tục.

...

...

...

A.2.4.2  Phân tích một chiều (1D)

Phân tích một chiều thay thế kết cấu bằng một loạt đơn lẻ các phần tử đường theo hình học của kết cấu như thấy trên mặt bằng, xem Hình A.7. Phân tích một chiều thường là đàn hồi tuyến tính, độ võng nhỏ và bao gồm mặt cắt được chuyển đổi vật liệu đơn lẻ. Thuộc tính mặt cắt thay đổi các có thể được xử lý với các thuộc tính mặt cắt từng bước trong các mô hình hoặc bằng cách thay đổi rõ ràng thuộc tính mặt cắt dọc theo chiều dài trong các chương trình nâng cao.

Hình A.7 - Mô hình dầm đốt sống 1D

Với kết cấu cong, có thể sử dụng phương pháp gần đúng V-Load và M/R cho cầu dầm thép mặt cắt I và mặt cắt hộp một cách tương ứng.

Phân tích 1D có thể là sự lựa chọn hiệu quả khi thiết kế cầu nhiều dầm nói chung là thẳng, thông thường hoặc dầm hộp có độ cứng xoắn của cầu dầm đốt sống, khi ứng xử ngang và xoắn không phải là tới hạn. Phân tích 1D không phù hợp cho các trường hợp:

- Lực khung ngang hoặc vách ngăn lớn, chẳng hạn từ phân bố tải trọng trong cầu nhiều dầm có độ cong hoặc độ chéo lớn,

- Nguồn hình học của độ cứng chẳng hạn các cặp lực từ hệ giằng ngang bản cánh hoặc nhiều gối dưới dầm hộp,

- Hiệu ứng ngang trong cầu nhiều dầm là đáng kể.

...

...

...

Phương pháp phân tích hai chiều (thường gọi là phương pháp lưới), bao gồm tối thiểu một loạt các phần tử dầm được liên kết với nhau, đại diện cho các bộ phận chịu uốn chính của kết cấu phần trên và đôi khi bao gồm cả kết cấu phần dưới. Bản mặt cầu có thể được phân phối và được bao gồm với các thuộc tính dầm hoặc được mô hình hóa một cách rõ ràng với các phần tử vỏ. Phân tích 2D có thể được sử dụng đơn giản để xác định các hệ số phân bố dầm bằng các phương pháp 1D sử dụng để hoàn thành thiết kế, hoặc sử dụng để xác định đường bao tĩnh tải và hoạt tải cho kiểm tra TTGH. Trong phân tích 2D có phân tích lưới cơ bản và phân tích lưới cải tiến.

a. Phân tích lưới cơ bản:

Phân tích lưới ban đầu sử dụng mạng lưới các phần tử đường trong mặt phẳng đơn lẻ. Một lưới yêu cầu phát triển các thuộc tính bộ phận được gán cân đối vật liệu cho lưới của phần tử đường.

Trong một số trường hợp phân tích lưới cơ bản có thể được chấp nhận cho thiết kế cấu kiện, nhưng không dùng để tính võng và vồng ở giai đoạn xây dựng trung gian. Phân tích lưới cơ bản không phù hợp với:

- Các hiệu ứng bậc hai lớn, chẳng hạn như ứng suất uốn bản cánh nén,

- Nguồn hình học của độ cứng như cặp lực từ giằng bản cánh (giả hộp) hoặc nhiều gối dưới dầm hộp,

- Hiệu ứng ngang trong cầu nhiều dầm là đáng kể,

- Hiệu ứng xoắn trong dầm tiết diện hở là đáng kể,

- Khi không phù hợp với tải trọng sử dụng với khung ngang thép,

...

...

...

b. Phân tích lưới cải tiến:

Qua thời gian, các chương trình tính và kỹ thuật tổ hợp được nâng cao và dẫn đến cải thiện phân tích lưới cơ bản. Mô hình PEB giờ đây nói chung có thể được sử dụng để mô hình cho cầu nhiều dầm. Mô hình này tổ hợp dầm phần tử đường và khung ngang/vách ngăn cứng với dầm phần tử vỏ kể cả dịch chuyển bản từ trọng tâm dầm. Mặc dù mô hình bản và dầm rút ra riêng biệt lực thiết kế ít khó khăn hơn, phương pháp phân tích lưới cải tiến đủ chính xác để sử dụng trong thiết kế hầu hết các cầu nhiều dầm.

Hình A.8 - Mô hình PEB 2D của cầu dầm thép 3 nhịp liên tục với các dầm bên trong nhô ra và các khung ngang liên kết bu lông

Một trong những lợi ích lớn nhất của mô hình PEB là chúng có thể mô hình một cách rõ ràng ứng xử của kết cấu có độ cong hoặc xiên lớn. Một phân tích PEB yêu cầu ít giả thiết hơn khi xác định các phần tử của lưới và mô hình hóa độ cứng màng của bản.

Mặc dù việc mô hình hóa bản và dầm tạo ra một cách riêng biệt việc triết xuất lực thiết kế với một ít khó khăn, phân tích lưới cải tiến có đủ độ chính xác để sử dụng cho thiết kế của hầu hết các cầu dầm, song không phù hợp với:

- Hiệu ứng bậc hai lớn,

- Nguồn hình học của độ cứng như cặp lực từ giằng mặt bích (giả hộp) hoặc nhiều gối dưới dầm hộp,

- Phân tích gradient nhiệt.

...

...

...

A.2.4.4  Phân tích ba chiều (3D)

Do khả năng tính toán và phân tích tăng, cho phép mô hình hóa rõ ràng các bộ phận kết cấu cầu nhiều dầm. Không chỉ có thể mô hình hóa dầm bản bê tông một cách rõ ràng, mà thay vào việc sử dụng một phần tử đường đơn để mô hình một dầm, các bản cánh và bản bụng của dầm có thể được mô hình hóa rõ ràng ở dạng hình học rất chính xác. Khung ngang cũng có thể được mô hình hóa rõ ràng với nhiều phần tử thay vì các đường đơn lẻ của các phần tử có độ cứng có hiệu. Các thuộc tính vật liệu đơn lẻ có thể được khai báo. Bằng cách mô hình hóa các phần hở có thành mỏng với nhiều cấu kiện, cả độ cong vênh và độ cứng xoắn Saint-Venant có thể được tính toán rõ ràng, và ứng suất tương ứng có thể được xuất ra. Thuộc tính mặt cắt được mô hình hóa rõ ràng, do đó không cần sử dụng các phép gần đúng.

Vậy tại sao không sử dụng phân tích 3D cho mọi thiết kế. Hiện đó không phải là giải pháp hiệu quả nhất.

Với hầu hết các bản bê tông trên cầu dầm, phân tích PEB vẫn các phương pháp khuyến nghị. Mô hình 3D nên được sử dụng khi muốn có ứng xử chính xác hơn và đối với các mô hình con, chẳng hạn như:

- Phân tích cục bộ, chẳng hạn như các chi tiết và điểm liên kết trong kết cấu khi có ứng suất tập trung.

- Cần xét độ cứng xoắn vênh.

- Phân tích động lực học phức tạp, khi bắt buộc mô hình hóa độ cứng và / hoặc sự phân bố khối lượng chính xác hơn.

- Phân tích ổn định phức tạp, cả tổng thể và cục bộ.

- Các trường hợp mà bản cánh bị uốn ngang là đáng kể.

...

...

...

A.2.5  Phương pháp phân tích chính xác và độ tin cậy

Vấn đề nảy sinh liên quan đến phân tích chính xác và độ tin cậy: (1) tác động của việc sử dụng phân tích chính xác thay cho phương pháp gần đúng, (2) ảnh hưởng đến độ tin cậy đạt được đối với thiết kế bằng phân tích chính xác.

Việc sử dụng các phương pháp gần đúng nói chung sẽ đạt được chỉ số độ tin cậy của kết cấu cao hơn giá trị mục tiêu, do các hiệu ứng lực thiết kế có xu hướng thiên về an toàn (bảo thủ), thiết kế có sức kháng cao lên so với nhu cầu và do đó độ tin cậy cao hơn.

Khi phân tích chính xác, chẳng hạn như sử dụng phân tích PTHH 3D (FEA) hoặc phân tích bản và dầm lệch tâm (PEB), dẫn đến các hiệu ứng tải trọng nhỏ hơn và các phần thiết kế kích thước nhỏ hơn so với phân tích gần đúng, dẫn đến hệ số độ tin cậy của phân tích chính xác cũng thấp đi. Việc thay thế phương pháp chính xác cho phương pháp gần đúng trong thiết kế có thể được coi là di chuyển độ tin cậy của kết cấu hướng từ một giá trị cao hơn tới chỉ số độ tin cậy mục tiêu tối thiểu, việc này là có lợi hơn. Vì thế giả sử thực hiện chính xác phân tích làm giảm độ tin cậy thì đây cũng không phải là lý do để tránh sử dụng phương pháp chính xác.

A.3  Mô hình hóa dầm cầu tổng quát

A.3.1  Các giả thiết

Mô hình hóa PTHH và phân tích cầu có thể cung cấp một cách nhanh chóng, chính xác, kết quả có thể sửa đổi dễ dàng, nhưng cũng có thể tốn nhiều thời gian. Các giả thiết sau trong kỹ thuật phân tích cầu thông thường không cần thiết để thực hiện phân tích PTHH, nhưng để thực hiện để quá trình thiết kế được hiệu quả hơn:

. Vật liệu đàn hồi tuyến tính, đẳng hướng,

- Thuộc tính giống nhau ở tất cả các hướng

...

...

...

. Mặt cắt ngang phẳng vẫn phẳng và các tính chất của mặt cắt không đổi,

- Biến dạng cắt và cong vênh xoắn đủ nhỏ để có thể bỏ qua

- Mặt cắt không thay đổi do nứt hoặc chảy trong quá trình phân tích

. Các điều kiện biên được coi là bị kiềm chế hoàn toàn hoặc không bị kiềm chế hoàn toàn

- Mỗi bậc tự do trong số 6 bậc tự do thường không bị ràng buộc hoặc tự do chuyển vị, mặc dù trong một số trường hợp có thể sử dụng kiềm chế và / hoặc chuyển vị một phần theo quy định.

- Các biện pháp kiềm chế áp dụng tại các vị trí chịu lực và các mối nối giữa các bộ phận

. Tải trọng không đổi về hướng và độ lớn

- Hiệu ứng bậc hai đủ nhỏ để có thể được bỏ qua, hoặc

- Hiệu ứng bậc hai được tính đến việc bằng sử dụng các hệ số hiệu chỉnh - không có phi tuyến hình học

...

...

...

- Hiệu ứng tải có thể được nhân với hệ số

- Có thể thêm các hiệu ứng tải

. Hoạt tải có thể được xấp xỉ bằng các tải tập trung và tải phân bố.

Các nội dung dưới đây cung cấp các hướng dẫn sử dụng khi nào sử dụng mô hình hóa dầm bản để xác định mô men uốn, lực cắt và chuyển vị sử dụng trong tiêu chuẩn.

A.3.2  Tạo lưới

Lưới, các nút và phần tử kết nối chúng của một mô hình phân tích PTHH được cho là khía cạnh quan trọng nhất.

Nhìn chung nút càng gần trọng tâm của phần tử được mô hình hóa càng tốt, mặc dù một số chương trình cho phép có độ lệch tâm được sử dụng để đặt trọng tâm phần tử ở vị trí đúng.

Việc tạo lưới phù hợp có thể tạo hiệu quả cả trong lời giải và phân tích kết quả của mô hình. Lưới cần có đủ số nút và số phần tử để cung cấp đủ độ chính xác mà không gây ra nỗ lực tính toán quá mức. Xem xét tiếp theo có thể dẫn đến việc phân tích để kiểm soát việc tạo lưới bao gồm:

- Đặt nút ở vị trí đặt tải,

...

...

...

- Định vị các nút để tạo điều kiện giao tiếp với các phần tử lân cận, chẳng hạn như các vách ngăn trong cầu bê tông, hoặc sườn tăng cứng và khung ngang trong cầu thép.

- Định vị các nút nơi dự đoán rằng một lần lặp lại sau này của mô hình sẽ yêu cầu nút, hoặc

- Định hướng lưới để có được ứng suất theo một hướng cụ thể

Việc tạo lưới có thể bằng tay, tự động (lưới tự do hoặc được lập bản đồ), tạo lưới bán tự động, lưới chuyển tiếp.

A.3.2.1  Tạo lưới bằng tay

Tạo lưới bằng tay có thể là mất thời gian, đơn điệu tùy theo cỡ độ phức tạp của mô hình. Quá trình có thể được kỳ vọng bằng sử dụng bảng tạo các file dữ liệu đầu vào. Việc sử dụng phương pháp này làm giảm độ phức tạp cho các mô hình do cải thiện đặc tính lưới tự động.

A.3.2.2  Tạo lưới tự động

Nhiều chương trình phân tích PTHH có khả năng tạo nút và phần tử một cách tự động. Tạo lưới tự động có tiềm năng làm tăng tính kinh tế của việc phân tích về việc tiêu tốn thời gian để tạo nhiều lưới và phần tử thực hiện bằng phần mềm.

A.3.2.2.1  Lưới tự do

...

...

...

A.3.2.2.2  Lưới bản đồ

Một lưới bản đồ chỉ sử dụng một dạng phần tử (ví dụ phần tử tam giác hay tứ giác) và các phần tử chỉ xuất hiện theo các mẫu. Nếu yêu cầu lưới bản đồ, việc phát triển các bề mặt với các các dạng đều đặn sẽ giúp cho việc tạo lưới của mặt.

A.3.2.3  Tạo lưới bán tự động

Lưới bán tự động thích hợp với tổ hợp tạo lưới tay có thể bằng dữ liệu đầu vào dạng text, tổ hợp với lưới cục bộ tự động chính xác.

A.3.2.3  Tạo lưới tịnh tiến

Thông thường mô hình chính xác được sử dụng khi ứng suất yêu cầu ở vùng cục bộ của cầu lớn hơn là mô hình hóa toàn kết cấu với một lưới mịn cho các kết quả cục bộ, lưới có thể được chuyển sang lưới thô hơn từ phạm vi diện tích được quan tâm.

A.3.3  Thuộc tính vật liệu

Hai loại vật liệu được sử dụng phổ biến nhất trong xây dựng cầu là thép và bê tông, thường được giả định là vật liệu đẳng hướng cho mục đích phân tích.

Đối với thiết kế điển hình chỉ yêu cầu ứng xử vật liệu đàn hồi tuyến tính, nhưng nhiều chương trình cũng có các khả năng thuộc tính vật liệu phi tuyến và phi đàn hồi để lập mô hình, chẳng hạn như chảy của thép hoặc từ biến trong bê tông.

...

...

...

Thực hiện phân tích 1D là khá đơn giản. Thông thường, có hai loại cầu có thể phân tích một chiều: Cầu nhiều dầm khi phân tích một dầm đại diện; cầu mà mặt cắt ngang có độ cứng xoắn và có thể phân tích như một dầm đốt sống.

Dầm thẳng có thể được phân tích với bất kỳ chương trình phân tích dầm liên tục nào. Số phần tử khuyến nghị sử dụng ít nhất cho mỗi nhịp là 10.

Hình A.9 - a) Định nghĩa góc ở tâm, b) Mô hình đốt sống 3D cầu bê tông dầm hộp cong

Mô men uốn theo phương dọc của dầm bê tông cong được coi như dầm thẳng với chiều dài dầm thẳng bằng chiều dài cung dầm cong giữa hai gối và do đó có thể phân tích như dầm thẳng trong phân tích sơ bộ, cầu nhiều dầm thép cong tùy thuộc và việc chuyển tải trọng giữa các dầm chịu xoắn có thể được phân tích như dầm thẳng theo trục chính chịu uốn và cắt có chiều dài nhịp bằng chiều dài cung nếu thỏa mãn các điều kiện sau:

Đối với dầm chữ I:

. Dầm đồng tâm,

. Các đường gối không bị lệch quá 10 độ so với xuyên tâm,

. Độ cứng của các dầm tương tự nhau - Yêu cầu này đảm bảo rằng sự chia sẻ tải trọng giữa các dầm là tương đối đều. Nếu có sự nghi ngờ các dầm không đủ giống nhau, có thể sử dụng mô hình chính xác dầm cong đơn giản để kiểm tra sự phân bố tải trọng. Khi nghi ngờ, sử dụng mô hình dầm cong hơn là phương pháp xấp xỉ thẳng được mô tả ở đây.

...

...

...

- Chiều dài cung của dầm đối với các nhịp đơn giản,

- 0,9 lần chiều dài cung cho các nhịp biên của các cấu kiện liên tục,

- 0,8 lần chiều dài cung đối với các nhịp giữa của các cấu kiện liên tục.

Đối với dầm hộp:

. Các dầm đồng tâm,

. Các đường gối không bị chéo,

. Chiều cao của dầm nhỏ hơn chiều rộng của hộp ở giữa độ cao,

. Đối với tất cả các nhịp, nhịp cong chia cho bán kính dầm nhỏ hơn 0,3 rad, trong đó nhịp cong L_as được lấy là:

- Chiều dài cung của dầm đối với các nhịp đơn giản,

...

...

...

- 0,8 lần chiều dài cung đối với các nhịp giữa của các cấu kiện liên tục.

A.3.5  Phân tích hai chiều (2D)

A.3.5.1  Phân tích lưới cơ bản

A.3.5.1.1  Yêu cầu chung

Thực hiện phân tích lưới bao gồm tập trung tính chất độ cứng dọc và ngang của kết cấu cầu thành lưới các phần tử đường trong một mặt phẳng. Có thể sử dụng phân tích lưới để lập mô hình cầu bản và cầu bản có lỗ rỗng. Có thể phân tích cầu bản trên dầm với bất kỳ điều kiện trụ đỡ nào, xiên hoặc cong.

Về cơ bản có bốn bước trong phân tích lưới:

. Lý tưởng hóa kết cấu thành lưới tương đương thích hợp của các phần tử đường.

. Tính toán và gán thuộc tính của mặt cắt để đạt được độ cứng kết cấu theo chiều dọc và ngang gần đúng tương đương.

. Áp dụng tải trọng.

...

...

...

Nhiều mô hình lưới có thể được sử dụng để phân tích các cầu cho các giai đoạn xây dựng.

A.3.5.1.2  Phần tử và hình học

Phần tử dầm thường được sử dụng để mô hình mạng dọc và ngang trong lưới phẳng. Số lượng và vị trí tối thiểu của các đường lưới dọc cần trùng với số lượng và vị trí các dầm dọc, ngoài ra có thể bổ sung giữa các dầm dọc khi cầu rộng để cải thiện chính xác vị trí đặt tải. Các đường ngang tối thiểu cũng đặt ở các vị trí khung ngang/vách ngăn và bổ sung khi cầu dài.

A.3.5.1.3  Thuộc tính mặt cắt ngang

Thuộc tính mặt cắt thường dựa trên tính chất bê tông dầm và bản mặt cầu nguyên không nứt.

Độ cứng xoắn rất quan trọng trong phân tích lưới, vì hình học của mô hình không cung cấp độ cứng thích hợp tận dụng các cặp mômen được phân tách theo chiều rộng / chiều cao của kết cấu, đặc biệt là đối với chiều rộng tham gia của dầm bản trong mỗi phần tử.

A.3.5.1.4  Chất tải và kết quả

Hoạt tải nằm ở giữa các phần tử lưới có thể được phân bố đến các nút. Lý tưởng nhất là áp dụng một tải tương đương tĩnh, nhưng trong thực hành, phân bố tải trọng thẳng đứng cho các nút lân cận dựa trên tỷ số khoảng cách hình học thường là đủ, mặc dù lực cắt gần các gối đỡ có thể bị đánh giá thấp do sự phân bố của tải trọng nút trực tiếp đến gối đỡ.

Những thiếu sót của phân tích lưới cơ bản bao gồm:

...

...

...

- Lực cắt trong bản mặt cầu bị đánh giá thấp.

- Phân bố tải trọng và dẫn đến lực dọc trục trong dầm không chính xác do lực cắt dọc liên dầm và lực dọc trục dẫn đến các cặp giảm mômen trong dầm chịu tải và tăng mômen ở vị trí không thể được chuyển.

▪ . Xoắn vênh không được mô hình hóa.

▪ . Ứng xử khung ngang 3D được tính gần đúng với các phần tử đường đơn lẻ.

A.3.5.2  Bản với dầm lệch tâm (PEB)

A.3.5.2.1  Yêu cầu chung

Phân tích PEB là sự chính xác hóa của phân tích lưới cơ bản mô hình hóa rõ ràng bản mặt cầu và dầm một cách riêng biệt

Đối với thiết kế thông thường của hầu hết các bản bê tông điển hình trên cầu dầm khi độ chính xác vượt ra ngoài phương pháp hệ số phân bố gần đúng được mong muốn, mô hình phân tích PEB là phương pháp chính xác được khuyến nghị.

A.3.5.2.2  Phần tử và hình học

...

...

...

Ở mức tối thiểu, các nút phải được đặt ở điểm thứ mười của mỗi nhịp, vì lực và chuyển vị thường được yêu cầu tại các vị trí đó. Số lượng phần tử sử dụng dọc theo chiều dài cầu với bản mặt cầu phải giống như đối với các phần tử dầm dọc khi tác động tổ hợp được mô hình. Số phần tử dọc phải sao cho có được một tỷ số mặt cắt hợp lý. Tỷ số đến 5:1 là có thể chấp nhận được, mặc dù cách tiếp cận 1:1 là tốt nhất. Tối thiểu phải có hai phần tử vỏ giữa mỗi đường dầm để ghi lại ứng xử cắt trễ.

Khi tác động tổ hợp đầy đủ được mô hình hóa, các phần tử dầm phải được liên kết chặt chẽ với các phần tử bản mặt cầu.

A.3.5.2.3  Thuộc tính mặt cắt

Tính chất mặt cắt dầm được tính về trọng tâm dầm dọc. Đặc tính mặt cắt thường dựa trên các đặc tính mặt cắt của dầm bê tông không bị nứt.

A.3.5.2.4  Đặt tải và kết quả

Mô hình PEB có thể được đặt tải với cả tải dọc và ngang, mặc dù điều kiện biên nên được mô hình hóa ở đúng cao độ nếu các tải trọng ngang được áp dụng.

Trong phân tích PEB, lực tổ hợp trong các phần tử dầm và bản mặt cầu rời rạc phải được tổng hợp lại thành lực cắt, mô men và lực dọc trục đối với từng bộ phận tổ hợp của cầu.

Những hạn chế của phân tích PEB bao gồm:

. Xoắn vênh không được mô hình hóa, mặc dù có thể thực hiện gần đúng.

...

...

...

A.3.5.3  Độ cứng của vách ngăn / khung ngang

Có thể mô hình hóa đơn giản các vách ngăn thép hoặc bê tông bằng sử dụng các phần tử dầm đại diện cho toàn bộ mặt cắt ngang của vách ngăn. Dạng phần tử kể đến biến dạng cắt được khuyến nghị, đặc biệt là cho các cấu kiện có chiều cao thấp. Tùy thuộc dạng phần tử, một phần tử có thể đủ để nắm bắt các lực trong vách ngăn, với nhiều phần tử hơn cần thiết để có được dạng chuyển vị.

Khung ngang kiểu giàn thép là các cấu kiện bản bụng hở gồm biên dưới, một hoặc nhiều (thường là hai) thanh chéo, và có thể là biên trên. Trong phân tích lưới hoặc PEB, toàn bộ khung ngang được đại diện bởi một cấu kiện đơn lẻ.

Khung ngang trong cầu chéo có thể làm việc như là đường truyền tải thay thế và phân bố tải trọng thẳng đứng theo phương ngang.

Khi có thể, phương pháp dầm (Timoshenko) biến dạng sử dụng cả mô men quán tính tương đương (I_eq) và tiết diện tương đương (A_eq) được khuyến nghị để mô hình hóa độ cứng khung ngang trong thiết kế cấu thông thường.

A.3.5.4  Xử lý độ cứng xoắn trong mô hình 2D

Phương pháp xử lý xoắn trong mô hình phân tích PTHH 2D là rất quan trọng vì hai nguồn độ cứng xoắn Saint-Venant và độ méo vênh. Lý thuyết xoắn Saint-Venant giả định như sau:

- Lực xoắn là không đổi

- Mỗi mặt cắt ngang xoay như một vật cứng (không làm biến dạng dạng mặt cắt ngang)

...

...

...

- Các mặt cắt tự do cong vênh, tức là dịch chuyển theo hướng dọc nhưng bị cong vênh giống nhau cho tất cả các mặt cắt ngang.

Với lực xoắn Saint-Venant, chỉ có ứng suất cắt được tạo ra. Xảy ra hiện tượng kiềm chế xoắn khi các mặt cắt ngang không tự do bị cong theo hướng dọc và phát sinh ứng suất pháp.

Trong hầu hết các chương trình phân tích PTHH, các phần tử dầm đường chỉ mô hình hóa độ cứng xoắn Saint-Venant (GJ) mà không có độ cứng xoắn cong vênh (EC_w).

Nếu độ cứng xoắn là quan trọng trong mô hình phần tử đường có các mặt cắt hở hoặc các mặt cắt khác, khi độ cứng cong vênh là đáng kể, hoặc là hằng số xoắn có hiệu kết hợp cả hai độ cứng cong vênh và độ cứng Saint-Venant nên được sử dụng, hoặc là các mặt cắt có thể được rời rạc hóa hơn nữa để có các ứng xử chính xác.

Mô hình hóa độ cứng xoắn quan trọng hơn khi có tải trọng xoắn đáng kể, như trong cầu cong và/hoặc cầu xiên.

Trong mô hình hóa độ cứng xoắn 2D, có các hệ thống với dầm mặt cắt đặc biệt sau là phức tạp với ứng xử xoắn cần chú ý:

- Hệ thống lưới dầm mặt cắt hở thành mỏng

- Hệ thống lưới dầm mặt cắt hở chắc và kín

- Mặt cắt giả kín (chẳng hạn dầm thép dạng lòng máng)

...

...

...

Hình A.10 - Tính độ cứng xoắn Saint-Venant cho dầm I

Chi tiết xem thêm trong tài liệu tham khảo Manual for Refined Analysis in Bridge Design and Evaluation May 2019, FHWA-HIF-18-046.

A.3.5.5  Mô hình hóa kết cấu liên hợp

Đối với các tính chất của bản mặt cầu bê tông, nói chung bản được giả định là không bị nứt và làm việc trên toàn bộ chiều dài cầu, bao gồm các bộ phận chịu kéo, khi lập mô hình phân bố tải trọng trong cầu, nhưng độ bền kéo được bỏ qua khi thiết kế các cấu kiện với các tải trọng đó.

Khuyến nghị rằng, độ cứng của dầm bản cho các mô hình khác nhau có thể điều chỉnh bằng cách sử dụng độ dày có hiệu hoặc mô đun đàn hồi có hiệu cho bản mặt cầu bê tông.

A.3.6  Phân tích không gian (3D)

A.3.6.1  Các loại phần tử và việc sử dụng

Có thể sử dụng nhiều loại phần tử trong mô hình phân tích PTHH 3D. Chú ý khi dùng các loại phần tử hỗn hợp cần đảm bảo phần tử tương thích DOF tại các nút chung. Ví dụ kết nối phần tử dầm có độ cứng quay với phần tử khối chỉ có độ cứng tịnh tiến sẽ không dẫn đến truyền mômen qua nút.

Phần tử thanh (dàn): Phần tử dàn 2 lực là cấu kiện có thể đơn giản nhất. Đối với cầu dầm bản thường sử dụng loại phần tử này cho các thanh chéo khung ngang thép.

...

...

...

Phần tử mặt (Shell): Các bộ phận cầu khi các phần tử mặt tiêu biểu được sử dụng gồm: mặt cầu bê tông, bản cánh và sườn dầm, đặc biệt đối với các cấu kiện hộp, và các vách ngăn tấm. Các phần tử mặt cũng có thể được dùng cho sườn tăng cường và vách ngăn.

Phần tử khối: Các phần tử khối có lợi để mô hình hóa hình học ba chiều rõ ràng và có đầy đủ trường ứng suất ba chiều. Các phần tử khối ít sử dụng trong thiết kế cầu thông thường, ngay cả trong phân tích 3D, do số lượng lớn của DOF liên quan đến việc mô hình hóa các mặt lớn phẳng tương đối mỏng với các phần tử khối và dẫn đến nỗ lực tính toán cao và khó khăn trong việc trích xuất các lực thiết kế.

Ràng buộc và Liên kết cứng: Các ràng buộc như liên kết cứng có thể được sử dụng để kết nối chặt chẽ các phần tử có nút không trùng nhau. Một số ví dụ về việc sử dụng cho các liên kết cứng bao gồm mô hình hóa tác động tổ hợp giữa dầm và bản mặt cầu, mô hình hóa bù giữa trọng tâm và bề mặt của phần tử, trong đó kết nối phần tử phụ, và các phần tử mô hình hóa rất cứng so với các phần tử xung quanh, chẳng hạn như bệ nạng chống bê tông tích hợp.

Phần tử lò xo và điểm: Có thể sử dụng các phần tử lò xo và điểm tại các giao diện hoặc các điều kiện biên, chẳng hạn như khi có các gối, hoặc để mô hình hóa độ cứng của kết cấu dưới / nền móng.

A.3.6.2  Hình học

A.3.6.2.1  Yêu cầu chung

Ưu điểm của mô hình PTHH 3D cho phân tích dầm đường, lưới, bản và dầm lệch tâm (PEB) là có thể mô hình hóa một cách rõ ràng tương tác giữa các dầm, ứng xử khung ngang và phân phối trực tiếp tải. Điều này có thể quan trọng như mức độ phức tạp hình học tăng, ví dụ như với các cầu có độ cong hoặc chéo cao. Độ chính xác tăng đạt được bằng kết hợp hình dạng và độ cứng chính xác, bao gồm cả việc đặt bản mặt cầu tại cao độ chính xác, mô hình hóa các vách ngăn và / hoặc khung ngang tại các vị trí thực tế, phân phối tải thông qua độ cứng của phần tử và bằng cách mô hình hóa gối, tức là các điều kiện biên một cách chính xác. Tăng độ chính xác của mô hình dẫn đến tăng độ chính xác đối với các hiệu ứng lực tĩnh tải và hoạt tải được sử dụng trong thiết kế.

A.3.6.2.2  Vị trí dầm

Các dầm nên được đặt ở khoảng cách từ tâm đến tâm đề xuất của chúng, thường xác định trong giai đoạn thiết kế sơ bộ trước đó, hoặc trong trường hợp cầu hiện có tại khoảng cách tâm thực tế đo được tại hiện trường.

...

...

...

A.3.6.2.3  Vị trí bản bê tông

Bản bê tông được mô hình hóa sao cho cao độ tâm nằm ở đúng vị trí. Điều này có thể đạt được bằng một trong hai cách: mô hình hóa độ dày giữa bản ở cao độ chính xác và kết nối bản cánh với tấm bằng nhiều phương pháp khác nhau như liên kết cứng hoặc bằng cách mô hình hoá bản ở cùng độ cao với bản cánh trên dầm và sử dụng sự bù đắp để đạt được vị trí chính xác, như một số chương trình phân tích PTHH cho phép.

A.3.6.2.4  Vị trí khung ngang/ vách ngăn

Khung ngang và vách ngăn là các cấu kiện nằm giữa các dầm dọc. Khung ngang có thể có cấu hình giàn bụng hở của các cấu kiện thép, thường dạng X hoặc K, trong khi vách ngăn là các cấu kiện đặc, có thể là toàn bộ hoặc một phần độ cao dầm.

Khuyến nghị chỉ lập mô hình khung ngang/ vách ngăn khi chúng được xét để phân bố lại tải, nếu không nên loại bỏ chúng khỏi mô hình một cách thận trọng; các tấm kết nối / bản tăng cứng được bao gồm trong các mô hình 3D và các nút nằm dọc theo độ cao để đặt khung ngang/vách ngăn chéo ở hình dạng chính xác, đặc biệt là cho độ cao một phần khung ngang/ vách ngăn.

Nếu kết nối lệch tâm, độ cứng kết nối và khuếch đại bậc hai của chuyển vị ngang cấu kiện khung ngang thép tương ứng không được mô hình hóa một cách rõ ràng, chúng có thể được tính đến khi sử dụng diện tích có hiệu. Thay cho phân tích chính xác hơn, độ cứng tương đương (AE)_eq của thép góc đơn đều cánh và không đều cánh được kết nối với cánh dài, và các bộ phận mặt cắt T kết nối bản cánh có thể được lấy bằng 0,65AE.

A.3.6.2.5  Vị trí gối / trụ đỡ

Các trụ đỡ được lý tưởng trong mô hình phân tích PTHH 3D thường đặt tại nút ở giao điểm bản bụng - bản cánh, nơi có các sườn tăng cường gối (hoặc vách ngăn trong trường hợp dầm cánh T). Điểm đỡ này nói chung là đủ cho các thiết kế điển hình. Khi ứng suất cục bộ yêu cầu, mô hình hóa một khu vực chịu lực chính xác hơn trên cánh sẽ thích hợp hơn.

A.3.6.3  Số phần tử

...

...

...

Số phần tử cần thiết thay đổi tùy thuộc vào loại phân tích, phần tử được sử dụng và độ chính xác mong muốn. Phân tích kết cấu nguyên để xác định mô men uốn, lực cắt và chuyển vị cho mục đích thiết kế thông thường yêu cầu ít phần tử hơn so với khi kiểm tra các chi tiết cụ thể như ứng suất cục bộ trong lỗ khoét bụng dầm thép hoặc đầu dầm bê tông bị xiên.

Theo quy tắc chung, nếu tăng số lượng phần tử dẫn đến chênh lệch ít hơn 5%, thì sử dụng lưới thô hơn là đủ.

Các nút “động” hoặc các nút không kết nối với các phần tử khác thường phải tránh ở các giao diện vì sự không tương thích về chuyển vị, chẳng hạn như các khe hở hoặc các phần tử chiếm cùng một không gian có thể.

A.3.6.3.2  Tỷ số mặt cắt của phần tử và biến dạng hình học

Tỷ số mặt cắt đến 5:1 cung cấp kết quả chính xác trong hầu hết các trường hợp. Khuyến nghị quy tắc “ngón tay cái” là các góc trong của các phần tử phải bằng góc lý tưởng cộng hoặc trừ 60%. Tùy thuộc dạng phần tử, việc ứng dụng và lời giải sử dụng, có thể chấp nhận tỷ số mặt cắt lớn hơn và biến dạng vặn hình học, nhưng cần phải xác minh kết quả.

A.3.6.3.3  Bản cánh dầm

Số phần tử dọc theo chiều dài dầm cho bản cánh phải bằng số phần tử dọc theo chiều dài của bản bụng sao cho các nút được sắp xếp và kết nối với nhau. Khuyến nghị số nút trên mỗi dầm tối thiểu là 5 và tốt nhất là 9.

Mô hình hóa các bản cánh bằng cách sử dụng các phần tử dầm được khuyến nghị cho dầm I. Nếu sử dụng các phần tử vỏ, cần ít nhất hai phần tử để xác định chiều rộng bản cánh cho các dầm I, một ở mỗi bên của trọng tâm bản bụng. Đối với dầm hộp, ít nhất cần hai phần tử và khuyến nghị là bốn phần tử để có được các hiệu ứng trễ cắt.

A.3.6.3.4  Bản bụng dầm

...

...

...

A.3.6.3.5  Khung ngang và vách ngăn

Khung ngang:

Khung ngang/vách ngăn thường được mô hình hóa bằng cách sử dụng các phần tử thanh (giàn). Chỉ một phần tử là cần thiết cho mỗi thanh chéo vì chỉ xem xét lực dọc trục.

Biên trên và dưới của khung ngang thường được mô hình hóa bằng các phần tử dầm, nhưng cũng có thể mô hình hóa bằng các phần tử vỏ khi khảo sát ứng suất cục bộ. Nếu đã sử dụng các phần tử vỏ, một phần tử cho mỗi cánh thép góc hoặc hai phần tử cho bản cánh dạng WT và một phần tử cho thân hình chữ WT là hợp lý.

Đối với các phần tử vỏ, số phần tử dọc theo chiều dài của bộ phận biên phải cung cấp tỉ số mặt cắt phần tử hợp lý. Nếu sử dụng các phần tử dầm, tùy dạng phần tử, một phần tử có thể đủ để nắm bắt ứng xử của cấu kiện biên. Nếu biên trên tổ hợp với dầm, thì số phần tử phải phù hợp với số phần tử dầm.

Vách ngăn:

Các vách ngăn cho mô hình 3D có thể được xác định bằng cách sử dụng các phần tử vỏ cho bản bụng và phần tử dầm cho bản cánh. Bốn phần tử khuyến nghị cho toàn bộ chiều cao của vách ngăn, với tối thiểu hai phần tử trong các vách ngăn có độ cao một phần, lưu ý rằng số phần tử sử dụng trong bản bụng phải cung cấp tỷ số mặt cắt hợp lý và phải tương thích với bản bụng dầm. Số phần tử cho các bản cánh phải phù hợp với số phần tử sử dụng dọc theo chiều dài bản bụng và bản bê tông nếu là liên hợp.

Khuyến nghị các phần tử vỏ của vách ngăn đặc tiết diện chữ nhật có toàn bộ chiều cao trong cầu bê tông cũng được mô phỏng với bốn phần tử.

A.3.6.3.6  Tấm bản mặt cầu

...

...

...

A.3.6.3.7  Sườn tăng cường

Các sườn tăng cường ngang ít khi được mô hình hóa trong thiết kế cầu thông thường. Nếu có yêu cầu, các sườn tăng cường ngang có thể được mô hình hóa bằng các phần tử dầm kéo dài từ bản cánh trên đến bản cánh dưới.

A.3.6.4  Diễn giải kết quả phân tích

Khi sử dụng kỹ thuật phân tích chính xác, đặc biệt khi các mô hình phức tạp, các lực và chuyển vị phát sinh từ những ứng xử trước đây bị bỏ qua này thường không quan trọng đối với thiết kế kết cấu, nhưng có thể gây ra nhầm lẫn khi khung tham chiếu của kỹ sư là phân tích dầm đường.

A.3.7  Điều kiện biên

A.3.7.1  Yêu cầu chung

Các điều kiện biên là những kiềm chế thường áp dụng tại gối cầu, hoặc nền móng của kết cấu dưới, ở các tọa độ tổng thể sao cho mô hình chỉ được phép biến dạng theo cách quy định tại các điểm kiềm chế nhất định khi áp dụng tải trọng. Các điều kiện biên sẽ tái tạo ứng xử của các gối, mố, trụ cầu, hoặc nền móng theo yêu cầu.

Các điều kiện biên có thể phản ánh:

- Mức độ dung sai cho chuyển vị theo các hướng kiềm chế trong một gối điển hình,

...

...

...

- Chuyển vị dọc của gối do xoay dầm,

- Lún gối đỡ tiềm năng,

- Độ cứng của kết cấu dưới,

- Tương tác kết cấu đất, nếu có.

A.3.7.2  Các điều kiện biên được lý tưởng hóa

Trong nhiều trường hợp, việc sử dụng các điều kiện biên lý tưởng hóa cung cấp gần đúng đủ các điều kiện biên thực tế. Có các dạng điều kiện biên tiêu biểu sau khi giả thiết gối đỡ theo phương thẳng đứng là cứng:

- Khớp,

- Cố định,

- Không bị kiềm chế,

...

...

...

Điều quan trọng để đảm bảo rằng các chuyển vị được phép ở các điều kiện biên được sử dụng trong phân tích đủ phù hợp với những phân tích trong cầu thực tế; sự khác biệt giữa thực tế và các gối đỡ được mô hình hóa có thể các lực xung kích đáng kể lên dầm hoặc kết cấu phần dưới.

A.3.7.3  Điều kiện biên lý tưởng hóa và thực tế

Một số điều kiện thực tế như gối không thẳng, ma sát, gối không đúng là tự do hoàn toàn hoặc kiềm chế hoàn toàn, v.v. có thể là đủ cho phân tích thông thường, nhưng đôi khi cần được mô hình hóa chính xác hơn. Ví dụ mô hình hóa hệ đỡ với độ cứng lò xo xấp xỉ với độ cứng gối thực tế hơn sử dụng các hệ đỡ kiên cố có thể dẫn đến sự phân bố lực phản ứng thực, đặc biệt là ở cầu cong hoặc chéo đáng kể.

A.3.7.4  Gối

Khi chỉ kết cấu dưới được mô hình hóa, các điều kiện biên thường được mô hình ở vị trí gối. Khi kết cấu dưới được mô hình hóa cùng với kết cấu trên, phải mô hình hóa gối như phần tử giao diện giữa kết cấu phần trên và kết cấu dưới.

Có nhiều phương pháp mô hình hóa phần tử giao diện, từ phần tử giàn đơn giản đến chỉ truyền lực dọc, tới các phần tử phi tuyến tiên tiến có thể mô hình hóa lực nâng hoặc ma sát dính-trượt. Trong hầu hết các trường hợp, khuyến nghị dùng phần tử giao diện lò xo độ dài bằng không sáu bậc tự do. Việc gán độ cứng thấp hoặc bằng không được thực hiện trong các hướng cho phép chuyển vị. Việc gán độ cứng cao hơn khoảng ba bậc độ lớn các phần tử lân cận theo các hướng mà kiềm chế chuyển vị là thích hợp. Cần chú ý đặc biệt khi mô hình hóa mặt giao diện hoàn toàn cứng, nhất là theo hướng chuyển vị.

A.3.8  Mô hình TTGHCĐ và TTGHSD

Trong tiêu chuẩn thiết kế có sự phân biệt giữa các TTGHSD và các TTGHCĐ, với việc sử dụng các hệ số khác nhau. Việc vượt quá TTGHSD có thể dẫn đến các vấn đề bảo trì, dao động hoặc một số hư hỏng nhỏ cho kết cấu, trong khi vượt quá TTGHCĐ có thể dẫn đến hỏng kết cấu hoặc một bộ phận của kết cấu. Từ quan điểm xác suất, một số giới hạn của TTGHSD có thể được chấp nhận, trong khi TTGHCĐ nên có một xác suất nhỏ.

Sự khác biệt này chuyển sang mô hình hóa. Trong nhiều trường hợp, các mô hình khác nhau nên được sử dụng cho các TTGHCĐ và TTGHSD.

...

...

...

Thông thường trong thiết kế cầu, toàn bộ kết cấu ban đầu được giả định là được xây dựng với mức các bước là tối thiểu, không liên quan đến trình tự. Các dầm được mô hình hóa hoàn chỉnh từ đầu đến cuối của cầu. Trọng lượng bê tông bản mặt cầu ướt cũng được tác dụng lên mố trong một bước duy nhất. Sau đó các tải trọng chồng lên nhau được đặt trên kết cấu liên hợp đầy đủ. Đây không phải là cách những cây cầu thực sự được xây dựng.

Có nhiều cách khác nhau có thể sử dụng để xây dựng cầu, mỗi cách có một trình tự chất tải riêng. Trường hợp tải quan trọng nhất có thể xảy ra tại một số thời điểm xây dựng, ví dụ ổn định của cầu dầm liên hợp trước khi bê tông mặt cầu cứng lại. Vì thế, nên thực hiện phân tích trình tự xây dựng để đảm bảo cầu không vượt quá TTGH bất kỳ tại bất kỳ thời điểm nào trong quá trình xây dựng, cũng như đạt đến trạng thái ứng suất mong muốn trong điều kiện cuối cùng.

A.4  Mô hình hóa cầu bê tông / cầu thép

A.4.1  Cầu bê tông

A.4.1.1  Hướng dẫn lập mô hình

A.4.1.1.1  Mô hình vật liệu bê tông

Đối với hầu hết thiết kế cầu bê tông thông thường, nên sử dụng các đặc tính của vật liệu bê tông đàn hồi tuyến tính. Để phân tích nâng cao hơn, các mô hình vật liệu phức tạp hơn có thể được yêu cầu với đặc điểm vật liệu bê tông bổ sung, như từ biến, co ngót, nứt.

A.4.1.1.2  Mô men quán tính phần tử dầm bê tông

Độ cứng uốn của cấu kiện bê tông có thể thay đổi theo tải trọng tác dụng. Khi mô hình hóa cấu kiện bê tông với các phần tử dầm, các tùy chọn độ cứng khác nhau được xử lý tốt nhất bằng cách sử dụng môđun đàn hồi không đổi và điều chỉnh mômen quán tính phần tử dầm. Cho đến khi đạt được mômen nứt, độ cứng uốn được mô hình hóa tốt nhất bằng cách sử dụng tổng mômen quán tính dựa trên mặt cắt bê tông nguyên.

...

...

...

Đối với các phân tích khi mô men nứt bị vượt quá nhưng thép chưa bị chảy, chẳng hạn như xác định độ võng do hoạt tải, mômen quán tính có hiệu là phù hợp. Điều này là bởi vì nứt xảy ra ở các vị trí rời rạc, và độ cứng ở giữa các vết nứt lớn hơn độ cứng nứt.

Mômen quán tính nguyên và mômen quán tính nứt cực hạn là hai giới hạn đối với độ cứng của phần tử bê tông phụ thuộc vào tác dụng của lực mà ban đầu chưa biết. Lưu ý các hiệu ứng lực dọc trục cũng ảnh hưởng đến giá trị cho mô men nứt và chảy, do đó độ cứng của phần tử càng thêm phức tạp.

Việc xác định độ cứng nào để sử dụng phụ thuộc vào loại phân tích thực hiện. Độ chính xác bổ sung của các hiệu ứng lực, đạt được thông qua việc sử dụng điều chỉnh lặp đi lặp lại của độ cứng dọc theo chiều dài của các bộ phận bê tông dựa trên các tác dụng lực tương tự, là thường không đáng để nỗ lực bổ sung. Như vậy một giá trị mômen quán tính không đổi thưởng là thích hợp. Đối với phân tích TTGHCĐ, tĩnh tải và hoạt tải của kết cấu cầu, khuyến nghị sử dụng độ cứng nguyên của bê tông trong toàn bộ mô hình.

Đối với các phân tích địa chấn, khi khớp dẻo và ứng xử vật liệu phi tuyến dự kiến là đáng kể, cần phải xem xét bổ sung. Nếu sử dụng phương pháp thiết kế dựa trên chuyển vị, độ cứng thấp hơn thường mang tính bảo thủ. Trong trường hợp này nên sử dụng giá trị độ cứng có hiệu hoặc thậm chí bị nứt. Đối với các phương pháp dựa trên lực, sử dụng tính chất mặt cắt nguyên có thể bảo thủ hơn.

A.4.1.1.3  Mô hình các mặt cắt ngang không phải hình lăng trụ

Đối với các dầm có tiết diện thay đổi, cần phải thích ứng với sự thay đổi của trọng tâm dầm. Đối với các mô hình sử dụng phần tử dầm, vị trí của (các) đường được sử dụng để xác định phần tử dầm phải được đặt ở tâm của phần điển hình. Tại các vị trí mặt cắt khác nhau so với mặt cắt điển hình, cần áp dụng các phương pháp lệch tâm sao cho căn chỉnh hình học. Khi sử dụng các phần tử shell, mặt cắt ngang phải được chia thành các vùng có độ dày không đổi và các vùng của thay đổi độ dày. Khi độ dày khác nhau, cần được xác định một chiều dày trung bình, có thể cần sự lệch tâm để căn chỉnh các bề mặt thích hợp.

A.4.1.1.4  Hiệu ứng trễ trượt

Trễ trượt đề cập đến ảnh hưởng của độ cứng cắt trong mặt phẳng và cách nó thay đổi phân bố ứng suất pháp từ đó dự đoán bằng lý thuyết dầm đơn giản. Ví dụ trong dầm hộp, trục ứng suất uốn có xu hướng lớn hơn trong bản cánh tại điểm kết nối với sườn. Ứng suất có xu hướng giảm về phía giữa bản cánh giữa các sườn và về phía các đầu bản cánh của phần nhô ra do biến dạng cắt trong mặt phẳng. Do đó các khu vực này "trễ" so với ứng suất do cắt.

Hiệu ứng là lớn nhất khi mô men thay đổi nhanh chóng dọc chiều dài của một phần tử, đó là cách nói khác khi lực cắt lớn. Càng có nhiều điểm kết nối giữa các các phần tử của mặt cắt ngang, hiệu ứng trễ cắt càng nhỏ.

...

...

...

Các vách ngăn bên trong chiếm một tỷ lệ nhỏ của chiều dài tổng thể của cấu kiện, do đó không cần thiết phải tính đến độ cứng của vách ngăn bên trong trong mô hình phần tử dầm. Trọng lượng của các vách ngăn bên trong có thể được tính bằng cách sử dụng tải trọng tác dụng.

Khi sử dụng mô hình phần tử vỏ, bao gồm các vách ngăn trong mô hình sẽ tránh hư cấu ứng suất lớn tại các gối tựa nếu một điểm (hoặc một cặp điểm) sử dụng để mô hình hóa các gối. Mô hình hóa rõ ràng vách ngăn đỡ cũng cung cấp vị trí cho các cáp được neo để mô hình hóa rõ ràng các cáp ứng suất trước. Mô hình hóa vách ngăn trong mô hình phần tử vỏ có thể được thực hiện bằng cách sử dụng phần tử shell hoặc phần tử solid. Lợi thế của phần tử vỏ là phân tích ít phức tạp hơn, nhưng nhược điểm là các phần tử shell thường được sử dụng khi độ dày của bộ phận nhỏ hơn đáng kể so với bộ phận khác kích thước không phải lúc nào cũng đúng với các vách ngăn bê tông bên trong. Sử dụng phần tử solid cho phép mô hình hóa hình học vách ngăn thực tế nhưng việc phân tích trở thành phức tạp hơn.

A.4.1.1.6  Xem xét các điều kiện biên

Các điều kiện biên đối với cầu bê tông có thể khác nhau tùy thuộc vào loại công trình. Đối với dầm bê tông đặt trên gối, kết cấu phần trên và kết cấu phần dưới có thể được thiết kế riêng biệt. Đối với dầm bê tông gắn liền với kết cấu phần dưới, điển hình là dầm bê tông đúc tại chỗ, mô hình thích hợp của kết cấu phần dưới và độ cứng của móng là cần thiết để dự đoán chính xác các tác động lực của kết cấu phần trên.

A.4.1.2  Hiệu ứng phi tuyến phụ thuộc thời gian

Bê tông chịu sự thay đổi biến dạng theo thời gian do co ngót và từ biến. Từ biến và co ngót dẫn đến thay đổi thể tích đối với các phần tử bê tông và đều rất khó dự đoán chính xác. Nếu không có các thử nghiệm vật lý cụ thể hoặc kinh nghiệm trước với các vật liệu, việc sử dụng các phương pháp kinh nghiệm trong các tiêu chuẩn kỹ thuật được đánh giá có thể đưa đến kết quả có sai số đến trên ± 50 %.

Để phân tích, những điểm chính cần xem xét khi quyết định việc đưa những ảnh hưởng này vào phân tích là:

- Kết cấu bê tông trải qua sự thay đổi trong hệ tĩnh định sau khi tác dụng của tải trọng nói chung sẽ dễ bị ảnh hưởng bởi các hiệu ứng của từ biến trong đó các hiệu ứng tải sẽ khác nhau theo thời gian do từ biến. Hệ tĩnh định đề cập đến cách cầu được đỡ tại các giai đoạn xây dựng khác nhau. Ví dụ cầu được xây dựng bằng phương pháp hẫng cân bằng được chuyển thành dầm liên tục khi thực hiện đổ hợp long giữa nhịp, và do đó dễ bị hiệu ứng từ biến.

- Từ biến thực tế của kết cấu có thể khác đáng kể so với kết cấu được tính toán trong thiết kế. Ảnh hưởng sự thay đổi từ biến đối với kết cấu nên được điều tra bằng cách ràng buộc các tính toán từ biến và đảm bảo kết cấu có thể thích ứng với một loạt các cường độ từ biến.

...

...

...

- Một cách kiểm tra đơn giản hữu ích đối với kết quả phân tích từ biến là tính hệ số từ biến có hiệu, là tỷ số giữa biến dạng từ biến so với biến dạng đàn hồi ban đầu, thường nằm trong khoảng từ 0,5 đến 4,0, phổ biến có giá trị là 2,0. Nếu một phân tích chính xác bao gồm các hiệu ứng từ biến dẫn đến tỷ lệ ngoài phạm vi này, cần xem xét cẩn thận đầu vào và kết quả theo thứ tự.

- Mô hình từ biến mặc định trong một chương trình phân tích cụ thể có thể hoạt động tốt hơn đối với một số loại phần tử hơn những phần tử khác, tức là phần tử dầm chứ không phải phần tử vỏ. Tùy thuộc vào chương trình, đầu vào cho thuộc tính vật liệu phi tuyến có thể tự động được tính toán cho các loại phần tử nhất định trong khi người thiết kế phải tính toán các giá trị cho các loại khác của các phần tử.

A.4.1.3  Dự ứng lực căng trước và căng sau

A.4.1.3.1  Quy định chung

Không nhất thiết phải kể đến ảnh hưởng của dự ứng lực căng trước và căng sau trong mô hình phân tích, đặc biệt khi bố trí cáp phức tạp. Không như phân tích tay điển hình cho lực ứng suất trước, lực ứng suất trước sơ cấp và thứ cấp không tính riêng mà được áp dụng cho mô hình và phần mềm giải quyết cho hiệu ứng tổng. Các mômen chính là do độ lệch tâm của cáp (tức là P.e). Mômen thứ cấp phát triển do gối đỡ trung gian của các kết cấu kiềm chế chuyển vị tự do dưới ứng suất trước. Nếu muốn các hiệu ứng ứng suất trước chính có thể được giải quyết riêng biệt, và trừ đi để xác định các hiệu ứng phụ. Tuy nhiên, với những phân tích chính xác thường có ít lý do để làm điều này, đặc biệt nếu từ biến được bao gồm trong ứng xử của mô hình.

A.4.1.3.2  Phương pháp tải trọng tương đương

Phương pháp tải trọng tương đương là cách tiếp cận trong đó lực căng trước / căng sau được biểu thị bằng tải trọng ngoài tạo ra hiệu ứng tải tương đương với ứng suất trước. Trong phương pháp này, vì đã biết bố trí cáp và lực kích, sử dụng thông tin này để xác định tải trọng tương đương áp dụng cho kết cấu trong mô hình phân tích và có tác dụng tương tự như cáp mà không cần phải mô hình hóa riêng. Lưu ý rằng tải trọng sử dụng để mô hình hóa lực ứng suất trước phải tự cân bằng, nghĩa là không được có phản ứng khi nhìn vào toàn bộ kết cấu.

Có thể sử dụng phương pháp tải trọng tương đương để phân tích các dầm đường (1D). Ngoài ra, có thể sử dụng trong phân tích lưới / PEB (2D) cũng như phân tích 3D. Trong một số trường hợp nhất định, người thiết kế đang xem xét các tác động cục bộ, chẳng hạn như ứng suất trong các khu vực neo, phương pháp tải trọng tương đương không sử dụng.

Cáp thẳng:

...

...

...

Cáp xiên:

Đó là cáp bị gấp khúc, thường ở một hoặc hai điểm giữ dọc dầm. Tại mỗi điểm giữ có lực hướng lên do góc của cáp thay đổi, chống lại thành phần tổng thẳng đứng của lực ứng suất trước (hình A.11.c, d).

Cáp cong:

Cáp cong tương tự như cáp gấp khúc, ngoại trừ chúng tạo thành một cung liên tục. Tác dụng theo phương thẳng đứng của lực ứng suất trước từ các sợi cáp cong là một tải trọng phân bố, lực dọc trục tác dụng đồng tâm vào dầm và lực ứng suất trước và tác dụng lên dầm như một tải trọng phân bố đều, mômen áp dụng tại các đầu dầm (hình A.12 a, b).

Cấu hình cáp chung:

Các trường hợp mô tả trên được chỉ ra cho các nhịp đơn giản nhưng phương pháp tải trọng tương đương cũng có thể được sử dụng cho các cấu hình nhịp khác. Khái niệm này có thể được mở rộng cho các dầm nhiều nhịp, chiều dài nhịp khác nhau và với các cấu hình cáp khác nhau.

Hình A.11 - Minh họa, a) Cáp thẳng, b) Mô hình đơn giản hóa cáp thẳng, c) Cáp xiên, b) Mô hình đơn giản hóa cáp xiên,

...

...

...

Mặt cắt ngang không có hình lăng trụ

Các nội dung trên giả định mặt cắt ngang dầm dọc chiều dài dầm là không đổi. Điều này thường xảy ra đối với dầm nhịp đơn giản, nhưng có thể không phù hợp với nhịp liên tục, khi có thể cần tăng chiều cao mặt cắt để chịu mômen âm gần các gối bên trong. Việc xác định tải trọng tương đương đối với mặt cắt ngang không phải là lăng trụ tương tự như phương pháp đối với mặt cắt lăng trụ. Tải trọng tương đương phụ thuộc vào biên dạng cáp mà không phụ thuộc đặc tính mặt cắt của cấu kiện bê tông.

Mất mát ứng suất trước

Khi xác định được chính xác lực ứng suất trước sử dụng trong phương pháp tải trọng tương đương, cần tính toán các khoản mất mát. Từ biến, co ngót, biến dạng co ngắn đàn hồi, trùng cáp, ma sát do bộ neo, ma sát do cong và ma sát lắc làm giảm lực trong cáp. Tổn thất do từ biến, co ngót, co ngắn đàn hồi và trùng cáp thường được giả định là không đổi theo chiều dài dầm và tác dụng của chúng được kết hợp bằng cách giảm tải trọng tương đương theo tỷ lệ của lực cuối cùng so với lực ban đầu. Nếu thuộc tính vật liệu bê tông xem xét riêng tổn thất do từ biến và co ngót, thì những tổn thất này không cần tính toán và được bao gồm trong tải trọng tương đương.

Bố trí cáp thực tế và bố trí cáp lý tưởng

Bố trí cáp thực tế và bố trí cáp thiết kế có thể không giống nhau, có thể đưa vào phân tích chính xác nếu sự khác nhau là đáng kể.

Cáp ngoài / không dính bám

Cáp đặt bên ngoài mặt cắt của cấu kiện, trong khoảng trống của dầm hộp bê tông, nói chung tất cả đều không dính bám.

Các đường cáp không dính bám còn là cáp chạy trong các ống bọ bên trong bê tông nhưng các ống bọ không đầy vữa. Các đường cáp bên ngoài / không dính bám được kết nối với các thành phần bê tông một cách rời rạc các điểm dọc theo các đường cáp. Sự phân chia vật lý của việc không dính bám là sự tương thích biến dạng không còn hợp lệ. Biến dạng trong cáp có xu hướng đều giữa các điểm kết nối.

...

...

...

A.4.1.3.3  Xét cáp trong mô hình phân tích

Một phương pháp khác kể đến ảnh hưởng của căng trước và căng sau là bao hàm rõ ràng cáp trong mô hình phân tích. Trong phương pháp này, các phần tử thanh hoặc dầm được xác định dọc theo đường đi của cáp và phần tử đã chọn được gán các thuộc tính vật liệu và hình học của cáp. Các yếu tố quan trọng cần xem xét gồm:

- Bố trí cáp cong có thể được xấp xỉ bằng các đoạn thẳng tùy thuộc vào phần mềm. Nếu các đoạn thẳng là cần thiết, đoạn cong phải được chia thành các đoạn đủ nhỏ để thể hiện chính xác đường cáp. Hướng dẫn cụ thể về số lượng phân đoạn không có sẵn nhưng một góc tâm là 3,5°, tương tự như được sử dụng cho phần tử chiều dài trong mô hình hóa mô hình dầm đốt sống cong có thể được xem là phù hợp;

- Vị trí của các cáp có thể kiểm soát lưới của dầm bê tông, nếu bố trí cáp thay đổi, toàn bộ mô hình có thể cần phải được làm lại;

- Dính bám giữa bê tông và thép được coi là hoàn hảo trừ khi ứng xử dính bám được xem xét trong mô hình;

- Có thể phải tính đến sự thay đổi của tải trọng trong cáp do tổn thất dọc theo chiều dài cáp.

A.4.1.3.4  Các cách tiếp cận khác

Phương pháp thứ ba để kể đến ảnh hưởng của căng trước và / hoặc căng sau là sử dụng cách tiếp cận nhúng trong đó thép được phân bố khắp trong bê tông và không được xác định sử dụng cạnh của phần tử bê tông, nhưng đi qua phần tử đó. Sự đóng góp của cốt thép được xác định bằng số.

A.4.1.4  Vấn đề phân tích và thiết kế

...

...

...

Trong cấu hình cáp ứng suất trước dạng xiên hoặc cong, lực ứng suất trước thẳng đứng phát triển do vị trí thẳng đứng trong cáp thay đổi và thường chống lại lực cắt do tải trọng trọng lực. Lực này xuất hiện trong kết quả phân tích nhưng cũng xuất hiện trong phương trình khả năng chịu cắt. Do đó người thiết kế phải quyết định xem có sử dụng lực này ở phía khả năng chịu cắt của phương trình hoặc được đưa vào phía phương trình tải trọng. Không được đưa vào cả hai phía của phương trình, nhưng nên đưa vào phía dẫn đến thiết kế thận trọng hơn. Cần lưu ý rằng hệ số tải và hệ số kháng không như nhau.

A.4.1.4.2  Các chiến lược đối với hiệu ứng lực nhiệt

Hiệu ứng nhiệt thường được xác định bằng cách sử dụng các thay đổi nhiệt độ đều hoặc gradient. Tác động lực nhiệt có thể lớn và khống chế thiết kế các bộ phận cầu nhất định. Khó khăn trong thiết kế hiệu ứng nhiệt là thiết kế thay đổi cần thiết để giảm tải này không đơn giản và không dễ thấy, khi nhu cầu cao việc tăng kích thước tiết diện là giải pháp điển hình nhưng đối với tải nhiệt thì có thể dẫn đến nhu cầu thậm chí còn lớn hơn.

A.4.1.4.3  Phân bố lực cắt bản bụng

Có thể sử dụng các kỹ thuật phân tích cổ điển có sẵn để xác định dòng cắt trong hộp nhiều ngăn. Các kỹ thuật này sử dụng kết quả cắt và xoắn từ mô hình dầm đốt sống. Sử dụng kết quả lực cắt và xoắn, ứng suất cắt trong mỗi sườn có thể được tính toán và tích hợp trên sườn để xác định lực cắt trong mỗi sườn. Ngoài ra, một mô hình phần tử shell đơn giản có thể được tạo ra và áp dụng lực cắt và lực xoắn từ mô hình dầm đốt sống. Ứng suất cắt trong các phần tử vỏ có thể được lấy tổng cộng để xác định lực cắt trong mỗi sườn.

A.4.2  Cầu thép

A.4.2.1  Mô hình hóa hình học và độ cứng thích hợp

Do các mô hình cầu dầm thép phức tạp hơn, việc lập mô hình hình học một cách chính xác trở nên khó khăn hơn. Dù có hình học chính xác đến 100% nhưng còn nhiều rắc rối hơn, cần nỗ lực để xét tất cả các lực do tính lệch tâm hiện có, đồng thời giảm thiểu lực giả do lệch tâm đưa vào bằng cách mô hình hóa gần đúng. Chạy phân tích tham số với mô hình đơn giản hóa có thể có ích khi đánh giá nếu ước tính gần đúng ảnh hưởng đáng kể đến kết quả. Kinh nghiệm và khả năng phán đoán cũng có giá trị trong việc xác định gần đúng mô hình nào dẫn đến sự khác biệt không đáng kể.

Tùy mục tiêu thiết kế, mô hình hóa chính xác độ cứng của cả phần tử chính và phần tử phụ có thể rất quan trọng, chẳng hạn khi yêu cầu hình học bị chuyển vị. Trước khi lắp đặt khung ngang và/hoặc dầm cứng, dầm thép có xu hướng tương đối mềm dẻo, nhất là dầm mặt cắt hở. Mô hình hóa hình học ban đầu và trình tự xây dựng một cách chính xác có thể rất quan trọng, đặc biệt là với các dầm cong và xiên

...

...

...

Khi mô hình hóa các dầm thép cong tiết diện hở với các phần tử đường, tính đến độ cứng xoắn là quan trọng. Điều này có thể thực hiện bằng sử dụng độ cứng xoắn Saint-Venant có hiệu không đổi.

Đối với cầu có độ cong và xiên cao, thiết kế phù hợp ban đầu của kết cấu thép có thể là cốt yếu. Việc tạo vồng khác nhau để các dầm có cao độ cuối cùng chính xác có thể dẫn đến lực lắp của khung ngang trong quá trình xây dựng và / hoặc lực khóa trong điều kiện cuối cùng trong khung ngang.

Đối với hầu hết các thiết kế cầu dầm thép điển hình thông thường, hiệu ứng bậc hai là không đáng kể và có thể được bỏ qua. Trong một số ít trường hợp, chẳng hạn như cầu có trụ cao mảnh, hiệu ứng bậc hai có thể có ý nghĩa.

A.4.2.2  Mỏi

A.4.2.2.1  Yêu cầu chung

Phân tích chính xác sử dụng để đánh giá mỏi nhằm cung cấp cái nhìn sâu sắc hơn về ứng xử kết cấu và xác nhận các phương pháp tiếp cận sử dụng để giải quyết vấn đề mỏi trong thiết kế ban đầu, hoặc phổ biến hơn là trong quá trình phát triển bổ sung cho mỏi. Đây được cho là phương pháp đánh giá tốt nhất cho ứng xử mỏi gây bởi biến dạng.

A.4.2.2.2  Mỏi do tải

Thiết kế mỏi do tải yêu cầu tính toán biên độ ứng suất danh nghĩa do tải mỏi, lựa chọn loại chi tiết thích hợp và kiểm tra các chi tiết tương ứng phạm vi ứng suất cho phép. Danh mục các chi tiết khác nhau có thể được tìm thấy trong tiêu chuẩn. Danh mục chi tiết dựa trên thử nghiệm toàn diện trong phòng thí nghiệm và giải thích cho một số tham số có nhiều thay đổi và khó định lượng trong thực tế (ví dụ cường độ ứng suất cục bộ và kích thước gián đoạn ban đầu).

A.4.2.2.3  Mỏi do xoắn vênh

...

...

...

Hình A.13 - Biến dạng vặn ở khe bản bụng giữa bản cánh và bản liên kết sườn tăng cường

A.4.2.2.4  Cách tiếp cận ứng suất kết cấu cục bộ

Cách tiếp cận ứng suất kết cấu cục bộ (Local Structural Stress, LSS), một phiên bản của phương pháp “điểm nóng”, cố gắng định lượng ứng suất kết cấu lớn nhất ở vùng lân cận của chi tiết bằng cách sử dụng một phân tích tinh hơn là giải quyết nó thông qua phân loại. Ứng suất kết cấu lớn nhất phụ thuộc vào tham số tải trọng và kích thước tổng thể của bộ phận không kể hiệu ứng cục bộ bản thân biên dạng hàn. Ứng suất đỉnh phi tuyến gây bởi sự gián đoạn cục bộ, chẳng hạn chân mối hàn, được loại trừ khỏi ứng suất kết cấu.

Phương pháp LSS dựa trên việc đánh giá chính xác ứng suất bề mặt tại chân mối hàn của chi tiết đang được khảo sát. Có thể sử dụng mô hình phân tích PTHH phần tử vỏ hoặc phần tử rắn. Do điểm nhọn gián đoạn ở chân mối hàn, gradient ứng suất trở nên dốc và nhạy cảm với kích thước lưới của mô hình phân tích PTHH sử dụng trong phân tích. Để tránh lỗi do gradient ứng suất, ứng suất kết cấu trên bề mặt ở chân mối hàn được ngoại suy từ các điểm tham chiếu trên bề mặt của bản.

4.2.2.5  Mô hình lỗ cắt (cut-outs)

Phải sử dụng một lưới đủ mịn để xác định biên độ ứng suất của kim loại cơ bản tiếp tuyến với vị trí lỗ cắt. Để phù hợp hơn với cả các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm tiềm năng và các phân tích chính xác khác, kết quả phân tích PTHH nên được đánh giá ở một khoảng cách nhỏ từ mép lưới.

Có thể sử dụng đường cong S-N để đánh giá biên độ ứng suất.

4.2.2.6  Chiết giảm biên độ ứng suất mỏi do biến dạng

...

...

...

Khi mô hình chính xác chỉ ra rằng biên độ ứng suất tại chi tiết dễ bị mỏi lớn hơn hơn mức cho phép, có thể thực hiện các phân tích tham số để xác định những gì cần làm để giảm biên độ ứng suất. Tùy từng trường hợp, biên độ ứng suất cho phép có thể tương ứng với một tuổi thọ hữu hạn hoặc tuổi thọ vô hạn. Các thiết kế mới thường hướng đến tuổi thọ vô hạn, trong khi đó tính toán tuổi thọ hữu hạn còn lại cho cầu hiện có thường là đủ. Có hai cách tiếp cận thiết kế có thể giảm bớt ứng suất, phương pháp tiếp cận cường độ và phương pháp tiếp cận độ mềm.

Hình A.14 - Sườn bản trực hướng, có và không có lỗ cắt

A.4.2.3  Liên kết kết cấu thép bằng bu lông / đinh tán

Liên kết là một trong những đặc tính quan trọng nhất của kết cấu thép. Ngoài ra, các liên kết có thể khó cải tạo hoặc sửa chữa. Do đó bất kỳ phương pháp nào dẫn đến giảm kích thước hoặc sự phức tạp của các liên kết hoặc dẫn đến xếp hạng khả năng tăng, sẽ có khả năng dẫn đến tiết kiệm lớn.

Các phương pháp đơn giản hóa tồn tại để thực hiện các thiết kế liên kết thép một cách an toàn bằng tính toán tay và nên được sử dụng cho các thiết kế thông thường. Những phương pháp như vậy thường yêu cầu thỏa mãn sự cân bằng bằng cách sử dụng các phép gần đúng tuyến tính và thỏa mãn khả năng tương thích thông qua dòng dẻo chứa trong các tấm thép nếu cần.

Phương pháp tính tay phổ biến nhất cho tải lệch tâm là phương pháp đàn hồi (hoặc vectơ) được coi là giới hạn dưới an toàn. Phương pháp này giả định trạng thái cân bằng quanh trọng tâm bu lông và bỏ qua khả năng tương thích biến dạng. Trong phương pháp đàn hồi, các hiệu ứng lực đồng tâm phân bố đều cho các bu lông, trong khi các hiệu ứng lực do mômen phân bố tuyến tính với khoảng cách từ tâm vuông góc với bán kính. Hiệu ứng độ cứng chẳng hạn như tải hàng đầu tiên của bu lông lớn hơn được đề cập ngầm trong tiêu chuẩn kỹ thuật bằng cách giảm khả năng của bu lông, và độ dẻo của liên kết / vật liệu liên kết giả định để phân phối lại lực đồng đều hơn.

Phương pháp chính xác hơn, ít thiên về an toàn hơn là phương pháp tới hạn giả định:

- Bản liên kết dưới tải trọng lệch tâm xoay quanh tâm quay tức thời.

...

...

...

- Độ bền cực hạn của nhóm đạt được khi đạt tới độ bền cực hạn của liên kết xa nhất từ tâm quay.

Sự khác nhau chính so với phương pháp đàn hồi là tâm quay không được giả định ở tâm nhóm bu lông, mặc dù biến dạng vẫn thay đổi tuyến tính với khoảng cách từ tâm quay, quan hệ lực / biến dạng, hoặc độ cứng là có thể, nhưng không cần phải tuyến tính. Hạn chế chính của phương pháp tới hạn là nó lặp đi lặp lại, tiếp cận giải pháp "chính xác" từ giới hạn trên. Một tâm tức thời được giả định và sau đó kiểm tra cân bằng.

Mô hình hóa liên kết mối nối bằng bu lông:

Sử dụng các phần tử vỏ để mô hình hóa các bản nối và một giới hạn chiều dài cấu kiện bản cánh và các tấm bản bụng tại liên kết. Các phần tử vỏ cấu kiện chính lý tưởng là mở rộng hai đến ba lần kích thước lớn nhất của bộ phận ngoài mối nối. Ngoài chiều dài này, có thể sử dụng các phần tử dầm để mô hình hóa phần còn lại của cấu kiện. Tại giao điểm của phần tử vỏ và dầm, có thể sử dụng các ràng buộc, liên kết cứng hoặc các phần tử cứng để đảm bảo tính tương thích.

Mô hình hóa liên kết bản tiếp điểm: Các mô hình tiêu biểu có thể bao gồm:

- Một mô hình phần tử vỏ 3D trong vùng lân cận của liên kết được xem xét

- Tính chất vật liệu phi tuyến

- Tính chất phi tuyến hình học

- Tính không thẳng hàng danh nghĩa được kể đến

...

...

...

A.4.3  Mô hình hóa nền móng và kết cấu dưới

Có thể thực hiện mô hình hóa kết cấu dưới trong cùng mô hình phân tích như kết cấu trên cho bất kỳ mô hình nào, nhưng chỉ yêu cầu khi tương tác giữa chúng ảnh hưởng đến ứng xử chung.

Đối với kết cấu trên cầu không phải là toàn khối, ứng xử của kết cấu trên thường độc lập với ứng xử của kết cấu dưới, và do đó kết cấu dưới không cần phải đưa vào mô hình kết cấu trên. Trong trường hợp đó, các điều kiện gối đỡ cho kết cấu trên có thể được áp dụng tại vị trí của các gối và các kết cấu phụ sau đó được phân tích riêng biệt bằng cách sử dụng phản lực gối thích hợp được tìm thấy từ phân tích kết cấu trên.

Cần tính đến các trường hợp ảnh hưởng của kết cấu dưới đến kết cấu trên, bao gồm kết cấu cầu có xà mũ trụ nạng chống tích hợp, cầu mố liền khối, phân tích địa chấn và cầu liên tục có độ cứng kết cấu dưới thay đổi. Có thể cần xem xét cụ thể cho các trường hợp kết cấu cầu toàn khối, kết cấu liên tục, tương tác tổng thể.

Kết cấu toàn khối: Với cấu mố toàn khối, ứng xử nền tác động đến kết cấu trên và dưới, ngoài mô men âm và dương, còn hiệu ứng từ tải nhiệt và tương tác với các hiệu ứng tải khác.

Kết cấu liên tục: Ứng xử của kết cấu dưới theo hướng thẳng đứng và ngang cần được kiểm tra, xét cả độ cứng theo phương thẳng đứng và phương ngang của trụ, nhất là các cầu có trụ cao và mảnh (xem hình A.15, a).

Tương tác tổng thể: Mặc dù các kết cấu dưới thường không cần được mô hình hóa, nhưng chúng có thể được thêm vào bất kỳ mô hình phân tích nào để đơn giản hóa việc xác định các tác động lực của kết cấu dưới. Cách đơn giản nhất để giải thích ảnh hưởng của kết cấu dưới đối với kết cấu trên là để bao gồm rõ ràng cả hai trong cùng một mô hình phân tích. Khi kết cấu dưới được mô hình hóa rõ ràng, phải đảm bảo rằng các gối được mô hình hóa để đạt được ứng xử thích hợp (ví dụ co giãn cố định so với co giãn có dẫn hướng) và các thành phần này được mô hình hóa theo đúng các vị trí không gian.

Để đơn giản hóa việc trích xuất đầu ra yêu cầu, thường mô hình hóa kết cấu dưới sử dụng các phần tử dầm đường. Ngay cả các loại kết cấu dưới như trụ tường cũng có thể được mô hình hóa bằng cách sử dụng phần tử dầm nếu biến dạng cắt được tính đến trong công thức phần tử và các tính chất hình học thích hợp được ấn định. Để kết nối các bộ phận kết cấu trên với kết cấu dưới đúng cao độ và vị trí ngang, có thể sử dụng các liên kết cứng hoặc các ràng buộc (xem hình A.15, b,c).

...

...

...

         b) Mô hình phần tử đường                    c) Mô hình phần tử đường có hình dạng cấu kiện

Hình A.15 - Ví dụ mô hình kết cấu dưới với kết cấu trên bao gồm gối và liên kết cứng

A.5  Mô hình hóa nâng cao

A.5.1  Khái quát

Phần dưới đây hướng dẫn thực hiện các phân tích nâng cao bao gồm tương tác kết cấu - nền, phân tích phi tuyến và động lực học để sử dụng cùng hoặc bổ sung.

A.5.2  Tương tác kết cấu - nền

A.5.2.1  Thông tin chung

Trong hầu hết các trường hợp, hiệu ứng tương tác kết cấu - nền (SSI) không tác động đáng kể đến ứng xử của kết cấu trên và kết cấu dưới, và do đó không cần phải xem xét cho các bài toán phân tích cầu điển hình. Các trường hợp ảnh hưởng của SSI có thể cần tính đến gồm:

...

...

...

- Phân tích chính xác cầu mố toàn khối

- Thiết kế hoặc đánh giá các móng nông trên nền tương đối yếu

- Thiết kế hoặc đánh giá móng sâu

Ứng xử hiện thời của nền dưới tải trọng thường là phi tuyến. Trước khi lựa chọn sử dụng phương pháp để xét SSI, cần đánh giá mức độ ứng xử phi tuyến của móng với kết cấu cụ thể và mức tải được khảo sát. Từ đó quyết định kiểu áp dụng phân tích SSI.

A.5.2.2  Móng nông

Thông thường, loại móng này nằm trên đá gốc hoặc đất có khả năng chịu tải và do đó chỉ có những dịch chuyển nhỏ, theo đó đất hoạt động về cơ bản theo cách tuyến tính với tối thiểu cặp ngang (cross-coupling) giữa bậc tự do tịnh tiến và quay. Sử dụng điều kiện biên cố định cho 3 bậc tự do tịnh tiến và để quay quanh trục thẳng đứng là chung. Quyết định liên quan đến việc sử dụng kiềm chế cố định hoặc tự do cho 2 bậc tự do quay khác thường dựa trên kích thước móng. Chiều rộng móng rộng thường cung cấp đủ kiềm chế chống xoay sao cho một điều kiện cố định là thích hợp. Mặt khác, chiều rộng móng điều này có khả năng tương đối hẹp đảm bảo giả sử không có hạn chế quay về trục vuông góc với chiều hẹp, xem hình A.16.

Nếu cần tính SSI cho móng nông thì có thể sử dụng phương pháp tấm cứng để xác định các giá trị độ cứng cho từng bậc tự do. Trong phương pháp này, nền móng được giả định là một tấm cứng nằm trong môi trường đàn hồi (đất) và hệ số độ cứng được phát triển bằng cách sử dụng các phương trình liên quan đến độ cứng của đất, kích thước nền móng và độ sâu của móng trong đất. Mặc dù không bắt buộc, nhưng có thể cần sử dụng phương pháp chuyên sâu hơn nếu hình dạng móng nông, tính chất của đất hoặc tải trọng không áp dụng được phương pháp tấm cứng (ví dụ nếu móng tương đối mềm dẻo, như vậy độ cứng của nó có thể ảnh hưởng đến ứng xử tổng thể). Các phương pháp này liên quan đến mô hình hóa móng và sau đó tính ảnh hưởng của đất bằng cách sử dụng lò xo Winkler, hoặc bằng cách mô hình hóa một phần liên tục đất bằng cách sử dụng các PTHH.

Hình A.16- Minh họa, mô hình lò xo Winkler cho SSI cho móng nông

...

...

...

Các phương pháp bao gồm SSI trong phân tích móng sâu có thể áp dụng rộng rãi được phân thành bốn phương pháp sau: Phương pháp độ sâu cố định, Phương pháp lặp cấu trúc con, Phương pháp lặp trực tiếp, Phương pháp lặp trực tiếp. Các phương thức lặp bắt chước một phương thức phi tuyến tính phân tích bằng cách thực hiện lặp các phân tích tuyến tính, thay đổi độ cứng dựa trên các chuyển vị xác định.

Trong phương pháp cấu trúc con, mức độ phức tạp của phân tích tổng thể giảm bằng cách sử dụng các mô hình phân tích riêng biệt (và thường là các chương trình phân tích riêng biệt) cho phân tích kết cấu tổng thể và phân tích SSI. Phương pháp phi tuyến trực tiếp là phương pháp luận tinh tế và cần thiết cho các trường hợp mà ứng xử phi tuyến là phổ biến và việc sử dụng các phương pháp lặp rất khó sử dụng.

Phương pháp độ sâu cố định: Phương pháp này yêu cầu sử dụng công thức/biểu đồ kinh nghiệm hoặc phần mềm tính móng như COM624, LPILE, hoặc FB-MultiPier để xác định chiều dài có hiệu của cọc. Chiều dài có hiệu này đại diện cho độ sâu để cố định cho một phân tích đơn giản hóa vị trí của các cọc được mô hình hóa trong mô hình phân tích PTHH dưới dạng cột dầm, sử dụng trụ đỡ cố định ở các nút dưới cùng và không hỗ trợ dọc theo chiều dài của chúng.

Hình A.17 - Minh họa Biến dạng ngang cọc và chiều sâu mô hình cố định

Phương pháp lặp cấu trúc con: Trong phương pháp này độ cứng của móng và đất được đại diện bằng ma trận độ cứng gối đỡ trong mô hình phân tích cầu.

Để lặp lại và xác định các giá trị độ cứng chính xác, một quy trình như được nêu dưới đây sẽ là sử dụng:

1) Ước tính nhu cầu về móng

2) Áp dụng các nhu cầu vào mô hình móng

...

...

...

4) Áp dụng độ cứng trong mô hình phân tích PTHH tổng thể

5) Chạy mô hình phân tích PTHH tổng thể và xác định nhu cầu móng

6) Lặp lại các bước 1-5 cho đến khi đạt được sự hội tụ (thay đổi kết quả khoảng nhỏ hơn hay bằng 10%)

Ngoài ra, quy trình có thể bắt đầu ở Bước 4 bằng cách ước tính các giá trị độ cứng để sử dụng trong mô hình phân tích PTHH tổng thể trong lần lặp đầu tiên. Không giống như trong phân tích địa chấn, khi tải trọng phụ thuộc vào độ cứng được phát triển từ sự tương tác của móng với nền, để phân tích không địa chấn những thay đổi về độ cứng đầu vào không có khả năng gây tác động mạnh, và do đó sự hội tụ cần đạt được khá nhanh chóng. Tuy nhiên, nếu đây không phải là trường hợp, thì quy trình phi tuyến có thể thực tế hơn, đặc biệt nếu có nhiều trường hợp tải cần khảo sát.

Phương pháp lặp trực tiếp: Phương pháp này liên quan đến mô hình hóa các phần tử móng trong cùng mô hình với phần còn lại của kết cấu cầu và sử dụng lò xo tuyến tính để mô hình hiệu ứng của đất.

Thông thường, một chương trình nền tảng riêng biệt được sử dụng để phát triển các giá trị độ cứng của lò xo để sử dụng trong mô hình phân tích PTHH tổng thể. Sử dụng một chương trình nền tảng, chẳng hạn như những chương trình đã đề cập trước đây, các đường cong p-y có thể được phát triển cho các nút ở mỗi độ sâu trong mô hình phân tích PTHH. Các đường cong p-y được sử dụng để phát triển các giá trị độ cứng nên bao gồm các hiệu ứng nhóm (hệ số P). Một ước tính ban đầu trong số các chuyển vị dự kiến có thể được thực hiện cho từng trường hợp tải đang được xem xét bằng cách sử dụng chương trình móng, và sau đó độ cứng của lò xo để sử dụng trong mô hình phân tích PTHH tổng thể có thể được phát triển bằng cách sử dụng các phép dời hình này và các đường cong p-y. Sau khi đạt được sự hội tụ (thay đổi trong giá trị phản ứng nhỏ hơn hay bằng khoảng 10 %).

Phương pháp phi tuyến trực tiếp: Phương pháp này tương tự như phương pháp tương tác trực tiếp, trừ hiệu ứng đất phi tuyến được tính trực tiếp bằng sử dụng phần tử lò xo phi tuyến và thực hiện phân tích phi tuyến. Mỗi phần tử đất cần được chỉ định đường cong p-y thích hợp theo các hướng ngang, và có khả năng là một đường cong t-z theo hướng thẳng đứng để tính ma sát mặt bên, dựa trên vị trí của nó dọc theo chiều dài của cọc và loại / tình trạng đất. Như được mô tả trong A.5.2.3, các đường cong có thể được phát triển bằng cách sử dụng một chương trình móng. Cần phải cẩn thận để đảm bảo rằng gối đỡ đủ gần nhau để có thể bắt chước gối đỡ liên tục do đất cung cấp. Nếu cần thiết, nên thực hiện một nghiên cứu về độ nhạy. Như với phương pháp lặp, kết quả từ phân tích PTHH nên được xác nhận bằng cách đối chiếu với kết quả từ chương trình móng.

A.5.2.4  Tóm tắt

Các phương pháp phân tích móng nông và sâu được trình bày để giải thích tương tác kết cấu - nền đất. Các phương pháp cho từng loại móng được trình bày theo thứ tự mức độ phức tạp. Những điểm sau đây nhấn mạnh và lưu ý khi quyết định phương pháp luận để sử dụng.

...

...

...

- Các phân tích đơn giản ban đầu và / hoặc phân tích độ nhạy rất hữu ích trong việc đạt được hiểu biết về ứng xử và xác định mức độ không tuyến tính dự tính. Điều này giúp lựa chọn một phương pháp phân tích SSI thích hợp nếu yêu cầu. Ngoài ra có thể sử dụng phân tích độ nhạy để kiểm tra các thông số đất ảnh hưởng đáng kể nhất đến phản ứng tương tác kết cấu - đất.

- Sự gia tăng độ phức tạp không phải lúc nào cũng dẫn đến độ chính xác được cải thiện, vì đầu ra chỉ có thể tốt như đầu vào và các giả định thường phải được đưa ra khi giải thích dữ liệu đất. Khuyến nghị tham khảo ý kiến của các kỹ sư địa kỹ thuật để hỗ trợ phát triển các đặc tính của đất sử dụng trong phân tích.

Đối với móng nông:

- Thường không cần tính đến SSI, vì việc sử dụng điều kiện biên cố định cho bậc tự do thẳng đứng và ngang và cố định hoặc điều kiện biên tự do (phụ thuộc vào kích thước của móng) để độ quay là đủ để mô hình hóa ứng xử của kết cấu.

- Trong các trường hợp cần tính SSI, thường là phương pháp tấm cứng.

Đối với móng sâu:

- Phương pháp độ sâu cố định cung cấp một cách đơn giản để tính ảnh hưởng của móng sâu. Trong khi dễ thực hiện và hữu ích trong ước tính các hiệu ứng SSI đến kết cấu trên và kết cấu dưới của cầu, sự đơn giản hóa liên quan đến phương pháp này có khả năng dẫn đến các khía cạnh quan trọng của ứng xử tương tác đất- kết cấu thực tế bị bỏ qua. Trong một số trường hợp, điều này có thể tạo ra kết quả không an toàn.

- Với các đầu vào tương tự, ba phương pháp khác được trình bày nói trên tạo ra kết quả tương tự, mặc dù với các mức độ yêu cầu nỗ lực khác nhau.

- Sử dụng phương pháp lặp - cấu trúc con hoặc phương pháp lặp trực tiếp được khuyến nghị khi ứng xử phi tuyến tính của đất không được cho là đóng vai trò vai trò quan trọng trong ứng xử của kết cấu.

...

...

...

A.5.3  Phân tích phi tuyến

Đối với phần lớn các phân tích được yêu cầu, đặc biệt là thiết kế cầu dầm bản điển hình, phân tích đàn hồi tuyến tính luôn là cần thiết, ứng xử phi tuyến thường hoặc được bỏ qua khi không đáng kể hoặc được tính một cách an toàn.

Phân tích phi tuyến thường liên quan đến kết cấu cầu nhịp lớn phức tạp như cầu treo, cầu vòm mảnh, phân tích động đất, đánh giá ổn định và tính dư.

Các yếu tố điển hình góp phần vào phản ứng phi tuyến của cầu bao gồm:

- Ứng suất vượt quá giới hạn tuyến tính của vật liệu không đàn hồi, ví dụ chảy kim loại, vỡ bê tông do nén, nứt bê tông do kéo.

- Ứng xử vật liệu đàn hồi phi tuyến, ví dụ vật liệu siêu đàn hồi như cao su sử dụng cho gối

- Ứng xử phụ thuộc vào thời gian, ví dụ từ biến và co ngót của bê tông

- Những thay đổi lớn về hình dạng ban đầu, ví dụ oằn, ứng xử của cáp,

- Thay đổi điều kiện biên, ví dụ ma sát, nâng gối, kiềm chế.

...

...

...

A.5.3.1  Các cấp độ mô hình

Khi cần phân tích phi tuyến, phân tích PTHH là dễ và hiệu quả nhất. Có nhiều mô hình khác nhau và cách tiếp cận phân tích cho phép tùy theo mức yêu cầu độ chính xác của kết quả, được xác định cơ bản bằng dạng phần tử và khả năng phân tích của phần mềm, bài toán kết cấu đặc biệt được đánh giá. Chẳng hạn các mức mô hình hóa phân tích phi tuyến cho khớp dẻo ở nền của cột bê tông có thể có các mức: mức cơ bản, mức trung gian, mức nâng cao.

A.5.3.2  Nguồn phi tuyến

Nguồn phi tuyến nhìn chung có thể phân thành 3 loại sau: Vật liệu phi tuyến, hình học phi tuyến, điều kiện biên phi tuyến (và kể cả loại trường hợp chỉ chịu kéo/nén).

A.5.3.2.1  Vật liệu phi tuyến

Trong phân tích kết cấu, các đặc tính cơ học của vật liệu được xác định bởi mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng. Khi mối quan hệ này là tuyến tính, ứng suất tỷ lệ thuận với biến dạng, và độ cứng hay môđun đàn hồi (E) là một hằng số. Đối với các bài toán phi tuyến, độ cứng thay đổi theo mức độ biến dạng và / hoặc hư hỏng của kết cấu. Các chương trình thường thêm các tính năng nâng cao vào các định nghĩa tuyến tính của vật liệu điển hình để kết hợp ứng xử phi tuyến thành các phần tử khỏe mạnh nhất định (ví dụ độ dẻo cho các phần tử dựa trên sợi). Các gói phần mềm cũng có các mô hình vật liệu phi tuyến xác định trước với các tham số mà người dùng có thể dễ dàng điều chỉnh cho các ứng dụng cụ thể (ví dụ như CEB / FIP Model 90 cho từ biến trong bê tông)

Ứng xử phi tuyến tính cũng có thể được bao gồm trực tiếp trong công thức phần tử mà không cần xác định một vật liệu riêng biệt (ví dụ các khớp nối chuyên dụng).

Lý tưởng nhất, các đặc tính được sử dụng trong phân tích vật liệu phi tuyến phải dựa trên kết quả thử nghiệm vật liệu thực tế sử dụng trong kết cấu. Thường điều này là không thể và phụ thuộc vào các giá trị đại diện / bảo thủ giả định từ tài liệu. Nó tùy thuộc vào nhà phân tích để đảm bảo rằng các thuộc tính vật liệu sử dụng trong phân tích phản ánh chính xác các đặc tính trong kết cấu thực.

Vật liệu phi tuyến bao gồm quan hệ ứng suất- biến dạng phi tuyến, khớp phi tuyến (khớp dẻo, gối cao su), hiệu ứng phụ thuộc thời gian.

...

...

...

Một đường cong ứng suất-biến dạng phi tuyến dựa trên các đặc tính của vật liệu có thể được xác định dựa trên các khuyến nghị trong thông số kỹ thuật thiết kế hoặc thông tin từ lực căng / nén một trục kiểm tra và có thể được sử dụng khi đối tượng (ví dụ kết cấu, bộ phận) được mô hình hóa như một thể liên tục (ví dụ vấn đề biến dạng phẳng), hoặc khi bản thân công thức cấu tạo phần tử có thể đáp ứng ứng xử liên tục của vật liệu (ví dụ các phần tử dựa trên sợi).

Thép: Trong hầu hết các trường hợp thực tế, mô hình hóa thép như vật liệu song tuyến là đủ, nhưng khuyến nghị một số độ cứng danh nghĩa sau chảy được đưa vào để hỗ trợ cho sự hội tụ và tránh nhiều vị trí cân bằng đối với một tải nhất định.

Bê tông là một loại vật liệu phức tạp, phản ứng khác nhau khi kéo và ứng suất nén. Hầu hết các gói phần mềm nâng cao xử lý hành vi cụ thể dựa trên độ dẻo mối quan hệ ứng suất-biến dạng bao gồm một vùng làm dịu ứng suất, để giải thích cho sự rạn nứt bao gồm các hiệu ứng gia cố và khả năng nghiền nén về mặt sức mạnh tối đa, σ_cu. Tiêu chí không đạt trong các mô hình nâng cao này thường được định nghĩa là hàm của các biến số hư hỏng đại diện cho sự mất mát hoặc suy giảm độ cứng trong vật chất.

Đất là một vật liệu có đặc tính phức tạp. Trong phân tích kết cấu, người ta thường giả định rằng các kết cấu được đỡ cứng ở nền và độ cứng của đất và nền bên dưới ảnh hưởng không đáng kể đến phản ứng của kết cấu trên. Tuy nhiên, đối với một số đánh giá kết cấu nhất định yêu cầu độ chính xác trong việc ước tính các phản ứng (đặc biệt là chuyển vị), phân tích cần bao gồm các tác động của tương tác đất như đã nêu ở A.5.2. Các tác động của đất có thể được đưa vào mô hình bằng một số kỹ thuật khác nhau, từ các khớp phi tuyến đơn giản đến các phần tử liên tục với các khớp phi tuyến phức tạp các mô hình. Việc lựa chọn phụ thuộc vào kết cấu trúc được mô hình hóa và các phản ứng mục tiêu (ví dụ một cầu 3D có lò xo móng so với cống 2D với đường liên tục xung quanh đất).

+ Khớp phi tuyến: Sử dụng các mối nối phi tuyến là một kỹ thuật đơn giản thường được sử dụng trong mô hình kết cấu để giới thiệu tính phi tuyến tính của vật liệu vào các mô hình với các yếu tố đường hoặc bề mặt được đơn giản hóa. Các ứng xử phi tuyến của các khớp được xác định trực tiếp dưới dạng nội lực-tác dụng mối quan hệ, ví dụ mômen / quay hoặc lực / biến dạng. Mô tả thêm về một số những ứng dụng này được trình bày tiếp theo.

+ Khớp dẻo: Trong lịch sử, khớp dẻo đã được sử dụng trong các phân tích tuyến tính từng mảnh để tính toán tải trọng cơ cấu cho các kết cấu siêu tĩnh trong thiết kế dẻo. Việc áp dụng hiện tại của các loại khớp này có thể phức tạp hơn, với ứng xử sau dẻo, tới hạn và phá hủy được đưa trực tiếp vào hàm phi tuyến của mối nối. Điều này cho phép phân tích không chỉ tải của cơ chế, mà còn cả sự dịch chuyển năng lực và ứng xử sau cữ hạn, bao gồm cả việc làm mềm do độ trễ ở một số các trường hợp. Việc thực hiện các phân tích như vậy đòi hỏi kiến thức về các thuộc tính của cấu kiện, sao cho ứng xử khớp rời rạc có thể được lập trình để ước tính ứng xử của bộ phận. Các giá trị có thể được sử dụng bao gồm khả năng chảy, khả năng cực hạn, khả năng dư và giới hạn xoay (vượt quá khả năng bằng 0).

+ Gối cao su: Mặc dù hầu hết ứng xử vật liệu phi tuyến tính là không đàn hồi, nhưng có thể là những trường hợp hiếm khi cần vật liệu phi tuyến đàn hồi để phân tích. Cao su, chất dẻo đàn hồi nằm trong một loại vật liệu được gọi là siêu đàn hồi. Ứng dụng phổ biến nhất của vật liệu này trong cầu là gối đàn hồi và thiết bị cách chấn. Thường thì ứng xử đàn hồi phi tuyến của gối có thể đủ xấp xỉ bằng ứng xử đàn hồi tuyến tính trong phạm vật liệu nhìn thấy dưới dạng điển hình tải trọng cầu. Khi ứng xử chính xác hơn được yêu cầu ngoài phạm vi đó, thường dưới các nhu cầu địa chấn, nên mô hình hóa ứng xử toàn cầu của liên kết với các phần tử khớp thay vì mô hình hóa rõ ràng bản thân gối.

+ Hiệu ứng phụ thuộc thời gian: Các tác động phụ thuộc vào thời gian của vật liệu như từ biến, co ngót, lão hóa của bê tông và sự giãn nở của thép cũng có thể được đánh giá bằng các phép phân tích phi tuyến. Các chương trình có thể mô hình hóa các hiệu ứng này sẽ thường bao gồm các tài liệu chuyên biệt dành riêng cho mục đích đó.

A.5.3.2.2  Hình học phi tuyến

...

...

...

+ Các nội dung chính của hình học phi tuyến trong cầu: Thường bộ phận kết cấu chịu nén lớn cũng như chuyển vị ngang do tải trọng lệch tâm ngang, sai lệch hình học, dung sai thi công, ...,

+ Yêu cầu phân tích hình học phi tuyến tiên tiến trong cầu: Phương pháp phân tích hình học phi tuyến tiên tiến được khuyến nghị áp dụng cho các bộ phận có chuyển vị hoặc xoay lớn do tải trọng gây ra,

+ Ứng xử không đàn hồi: Hầu hết các cấu kiện mảnh chịu phi tuyến hình học, các biến dạng rất nhỏ nên đặc tính vật liệu phi tuyến thường không bắt buộc. Tuy nhiên, ở mức giới hạn độ bền của các cấu kiện trung gian (tức là không mảnh, không ngắn), ứng xử vật liệu không đàn hồi thường xảy ra kèm theo các hiệu ứng bậc hai. Nếu cả hai điểm phi tuyến tính được xem xét trong mô hình, thì chuyển vị sẽ rõ ràng hơn dẫn đến mô men lớn hơn.

Điều cần được xem xét đối với thiết kế là các hiệu ứng hình học P-Δ bổ sung, hoặc hiệu ứng P-δ khi δ là đáng kể (ví dụ vòm chịu tải trọng trực tiếp). Về cơ bản có hai cách để giải thích cho những hiệu ứng bậc hai trong các cấu kiện thép:

- Áp dụng các hệ số khuếch đại cho các mômen đàn hồi bậc nhất, hoặc

- Sử dụng trực tiếp các mômen bậc hai từ phân tích hình học phi tuyến (nhưng đàn hồi).

A.5.3.2.3  Điều kiện biên và chỉ kéo/nén phi tuyến

Điều kiện biên và chỉ kéo/nén phi tuyến dễ xác định về mặt vật lý nhưng khó áp dụng trong mô hình. Những tính phi tuyến này có thể chỉ có mặt trong phạm vi kết cấu hoặc chỉ ở các gối đỡ. Một vài trường hợp chung thuộc loại này là:

- Nâng gối,

...

...

...

- Va đập ở đầu các kết cấu liền kề,

- Ứng xử của gối cách chấn,

- Ma sát giữa các mặt trượt, kể cả ma sát dính,

- Ứng xử kiềm chế cáp,

- Ứng xử của cấu kiện chỉ chịu kéo, chẳng hạn giằng hoặc miếng kê.

Đối với các chương trình ít nâng cao hơn, một số hiệu ứng này có thể được mô hình hóa bằng cách sử dụng phân tích đa đàn hồi tuyến tính, chẳng hạn như loại bỏ các gối đỡ có phản lực âm và chạy lại để tạo mô hình nâng tại gối. Việc sử dụng các kỹ thuật như vậy có thể trở nên khó khăn khi xem xét tải di động. Tuy nhiên các chương trình nâng cao hơn thường xử lý sự phi tuyến tính này bằng cách thêm các phần tử hư cấu như các mối nối hoặc đường / mặt lò xo giữa các biên chịu hoặc dễ tiếp xúc. Ứng xử của các phần tử này được đặc trưng bởi một đường cong phi tuyến, trong đó các khe và thay đổi của độ cứng ở một mức dịch chuyển có thể được xác định, như mô tả ở A.5.3.2.1. Một số chương trình có các phần tử cụ thể cho một số trường hợp, chẳng hạn chỉ cho các phần tử kéo hoặc nén. Tham khảo hướng dẫn sử dụng chương trình để xác định khả năng.

A.5.3.3  Các khía cạnh của lời giải số

Các phép phân tích tĩnh phi tuyến thường yêu cầu kỹ thuật giải lặp (ví dụ tiêu chuẩn Newton-Raphson sửa đổi) hội tụ vào lời giải đúng. Câu trả lời đúng là thỏa mãn các điều kiện cân bằng, tương thích và các mối quan hệ ứng suất-biến dạng của vật liệu. Phần mềm thường áp dụng các tiêu chí hội tụ để xác định thời điểm dừng lặp, khi câu trả lời nằm trong dung sai số được xác định trước dẫn đến thay đổi giữa các lần lặp không đáng kể. Mức độ hội tụ rất quan trọng, vì trạng thái cuối cùng của mô hình cho một mức tăng nhất định được sử dụng làm điểm bắt đầu cho bước tăng tiếp theo.

Phương pháp tăng dần (Incremental Methods): Bước đầu tiên là biểu diễn một phân tích lặp bằng việc chọn một bước tăng tải/dịch chuyển hợp lý. Bước tăng nhỏ hơn dẫn đến hội tụ nhanh hơn, trong khi bước tăng lớn hơn có thể giảm thời gian tính toán tổng. Việc tăng có thể thay đổi sao cho bước tăng lớn được sử dụng ban đầu, sau đó bước tăng nhỏ cho các phần phi tuyến hơn của phân tích. Vì thế cần chọn các bước tăng sao cho hợp lý về tốc độ hội tụ và độ chính xác khi phân tích PTHH phi tuyến.

...

...

...

- Sử dụng các chuyển vị cưỡng bức thay vì tải trọng.

- Giảm mức tăng ở phần giải pháp mà mô hình đang gặp sự cố hội tụ.

- Điều chỉnh một chút đặc tính độ cứng để tránh các phần ngang của tải trọng lệch giải pháp đường cong, chẳng hạn như cung cấp cho một số biến dạng danh nghĩa làm cứng các đặc tính của thép.

- Điều chỉnh kỹ thuật giải pháp chương trình và / hoặc tiêu chí hội tụ (thường được định nghĩa trong điều kiện về lực dư cho phép, chuyển vị và / hoặc công so với lời giải cân bằng"chính xác")

Lời giải số: có hai dạng cơ bản của lời giải phần mềm phân tích PTHH là lời giải trực tiếp và lời giải lặp.

Lời giải trực tiếp dựa trên cơ sở phương pháp khử Gauss, trong đó đối với trường hợp tải, X phương trình được dùng để giải cho X biến, trong đó X tương ứng với số DOF. Mặc dù chúng ổn định và có thể áp dụng cho bất kỳ loại phân tích nào, các lời giải này trở thành tốn kém về mặt tính toán khi xử lý các mô hình phức tạp với số lượng DOF lớn. Tuy nhiên, một số phương pháp tối ưu hóa đã được phát triển để giảm thời gian tính toán của giải pháp. Người giải quyết trực tiếp thường được khuyến nghị cho hầu hết các vấn đề kết cấu thực, đặc biệt là những người xử lý ứng xử phi tuyến.

Ngược lại, các lời giải lặp lại tìm ra giải pháp gần đúng bằng cách sử dụng một quy trình lặp giảm thiểu lỗi thông qua tiêu chí hội tụ, yêu cầu lưu trữ ít tính toán hơn. Phải chú ý khi sử dụng các lời giải lặp với các mô hình ít được điều kiện thuận lợi hơn vì giải pháp được cung cấp có thể khác với ứng xử thực của kết cấu. Chìa khóa của một điều tốt cho lời giải lặp là điều kiện tiên quyết tốt dẫn đến một vấn đề có điều kiện tốt hơn. Các vấn đề thường phải được xác định tích cực dẫn đến một giải pháp duy nhất. Lời giải lặp thường được khuyến nghị cho các phân tích tuyến tính của các mô hình rất lớn được điều hòa tốt. Để biết thêm về chi tiết cụ thể của bộ giải lặp tham khảo tài liệu của chương trình đang sử dụng.

A.5.3.4  Khuyến nghị chung cho phân tích phi tuyến tính

- Phần tử: Các phép phân tích phi tuyến thường sử dụng các phần tử chuyên biệt khác với phần tử điển hình những cái được sử dụng trong phân tích đàn hồi tuyến tính. Các phần tử bằng vật liệu phi tuyến hoặc chuyển vị lớn có thể cần sử dụng các khả năng tùy thuộc vào vấn đề được mô hình hóa.

...

...

...

- Vật liệu: Bắt đầu với các mô hình vật liệu tuyến tính, đặc biệt khi các mô hình phi tuyến khác được đưa vào phân tích, làm cơ sở cho việc so sánh khi vật liệu được giới thiệu. Đối với vật liệu phi tuyến, xác minh trong sổ tay chương trình phạm vi các tham số đầu vào là hợp lệ và thay đổi chúng cho phù hợp.

- Tăng dần: Sử dụng gia số nhỏ hơn và / hoặc cách tiếp cận dựa trên chuyển vị nếu vấn đề hội tụ nảy sinh trong quá trình phân tích.

- Hội tụ: Điều chỉnh giới hạn các tiêu chí hội tụ theo hướng dẫn chương trình khuyến nghị sử dụng để tránh mất độ chính xác trong kết quả.

- Lời giải: Sử dụng lời giải trực tiếp để phân tích phi tuyến.

A.5.4  Phân tích động

A.5.4.1  Thông tin chung

Có thể yêu cầu phân tích động để khảo sát gió hoặc dao động do phương tiện gây ra, ảnh hưởng của tải trọng địa chấn, ... Các phân tích cũng có thể thích hợp để điều tra tác động của tàu xe hoặc ứng xử của các kết cấu có thể do va chạm của phương tiện, trong đó phân tích địa chấn thường hay gặp. Mặc dù tải trọng địa chấn có xu hướng kéo dài thời gian hơn tải xung của các hiệu ứng động lực khác, phần lớn thông tin được cung cấp liên quan đến phân tích địa chấn cũng có thể áp dụng cho các loại các bài toán phân tích động.

Có thể chia phân tích động thành hai loại lớn: phân tích theo phương thức (mode) và phân tích tích phân trực tiếp. Đối với các phân tích theo phương thức, ứng xử của kết cấu được xác định bằng cách thêm cùng phản ứng của các mode dao động riêng lẻ của kết cấu. Điều này có thể được thực hiện trong miền tần số, như với phân tích phổ phản ứng hoặc trong miền thời gian, với phương thức phân tích lịch sử thời gian. Đối với cách tiếp cận này, các tần số và hình dạng mode của kết cấu phải trước tiên được tìm thấy thông qua phân tích trị riêng và sau đó được tổ hợp để xác định phản ứng của kết cấu.

Phương pháp tích phân trực tiếp, còn được gọi là phân tích bước thời gian, giải quyết động lực tổng thể phương trình chuyển động tại mỗi bước thời gian. Phương pháp này có thể xét cho nhiều nguồn phi tuyến tính và được sử dụng phổ biến nhất để phân tích lịch sử thời gian phi tuyến.

...

...

...

Tĩnh:

[K]{u} = {P}

(A.1)

Động:

(A.2)

Trong đó:

M là ma trận khối lượng;

C là ma trận giảm chấn;

...

...

...

P là vedor tải trọng,  và u là véc tơ gia tốc, vận tốc, chuyển vị, (t) chỉ rằng vector là hàm của thời gian.

Để xác định phản ứng động của kết cấu, người ta giải các phương trình cân bằng động sử dụng phân tích theo phương thức, tích hợp trực tiếp từng bước hoặc đôi khi kết hợp cả hai. Điều này sẽ được trình bày kỹ hơn trong các phần tiếp theo khi xem xét hai loại phân tích động lực: phân tích phổ phản ứng và phân tích lịch sử thời gian.

A.5.4.2  Mô hình hóa cho phân tích động

Để phân tích động cần yêu cầu xây dựng chính xác ma trận khối lượng, ma trận giảm chấn, ma trận độ cứng, trong khi phân tích tĩnh chỉ yêu cầu xây dựng chính xác ma trận độ cứng.

Mô hình khối lượng: PPPTHH sử dụng hai phương pháp, hoặc có thể kết hợp cả hai để phát triển ma trận khối lượng, đó là dạng khối lượng gộp (khối lượng đặt tại các nút) và ma trận khối lượng thích hợp (giả thiết là phân bố thông qua phần tử).

Trong phân tích tĩnh, có thể sử dụng tổ hợp của tải trọng tác dụng và trọng lực để biểu diễn tải trọng tĩnh của kết cấu. Thông thường, trọng lượng của các thành phần được mô hình hóa được tính bằng cách ấn định khối lượng riêng thích hợp và xác định lực hấp dẫn gia tốc trọng trường, trong khi trọng lượng của các thành phần không được mô hình hóa (tức là các thành phần thường được coi là không góp phần vào độ cứng của kết cấu, chẳng hạn như mài mòn bề mặt, ba lát và các tiện ích) được tính bằng cách áp dụng tải trọng tập trung, tải trọng đường hoặc mặt.

Đối với phân tích động, việc sử dụng tải trọng để tính là khối lượng không thích hợp. Thay vào đó, tất cả khối lượng phải được xác định rõ ràng sao cho khi trọng lực được ấn định, toàn bộ trọng lượng của kết cấu, với sự phân bố chính xác của trọng lượng nếu có. Do đó, khối lượng của các thành phần không được mô hình hóa rõ ràng cần được đưa vào. Ngoài ra, cần đảm bảo rằng các phần tử được sử dụng trong mô hình không phải là một phần của kết cấu thực (chẳng hạn như các liên kết cứng giữa bộ phận) được ấn định khối lượng riêng không đáng kể.

Hình A.18 - Minh họa Mô hình đốt sống sửa đổi tính riêng sử dụng cho khối lượng đặt lệch tâm từ mô men quán của kết cấu trên

...

...

...

Đối với phân tích phương thức, thông thường tỷ lệ giảm chấn có thể là đầu vào trực tiếp cho các mode cụ thể hoặc cho tất cả các mode được sử dụng. Để phân tích lịch sử thời gian, thường sử dụng công thức giảm chấn Rayleigh, trong đó ma trận giảm chấn được phát triển như một sự tổ hợp tuyến tính của ma trận khối lượng và độ cứng, như được minh họa trong công thức:

(A.3)

trong đó:

[M], [C], và [K]  là các ma trận khối lượng, giảm chấn và độ cứng;

a₀ là hệ số tỷ lệ giảm chấn khối lượng;

a₁ là hệ số tỷ lệ giảm chấn độ cứng.

Ứng xử giảm chấn hiện thời là rất phức tạp, phi tuyến, có cường độ nhưng không phụ thuộc tần số.

Mô hình độ cứng: Quy trình tiêu biểu để mô hình hóa độ cứng trong phân tích tĩnh cũng được áp dụng trong phân tích động. Khoản A.3 cung cấp hướng dẫn liên quan đến mô hình hóa riêng cho độ cứng dầm, khung ngang, độ cứng xoắn, điều kiện biên,...

...

...

...

Rời rạc hóa mô hình: Với mô hình đã cho, khối lượng tính toán cho phân tích động thường lớn hơn nhiều cho phân tích tĩnh. Đối với các mô hình phân tích lớn, việc giảm kích thước mô hình so với kích thước sử dụng đối với các phân tích tĩnh có thể được yêu cầu để mô hình có thể chạy hiệu quả và các tệp kết quả không trở nên lớn một cách phi thực tế. Tuy nhiên, các tác động lên đầu ra của việc giảm kích thước mô hình cần được xem xét, và cách bố trí của lưới ít nhất phải đáp ứng các yêu cầu của bất kỳ thông số kỹ thuật liên quan.

Đối với phân tích mode, yêu cầu có các dạng mode tự nhiên của kết cấu. Số mode có thể được giải quyết bằng với số bậc tự do trong mô hình, tuy nhiên số mode cần để có kết quả chính xác thường ít hơn đáng kể. Điều này là thích hợp vì không phải tất cả các mode, đặc biệt là các mode tần số rất cao, đều góp phần đáng kể đến phản ứng của kết cấu. Mặc dù không phải tất cả các mode đều cần được sử dụng để xác định phản ứng của kết cấu, phải đảm bảo rằng có đủ các mode để có được một đại diện chính xác của ứng xử thực. Điều này được thực hiện bằng cách kiểm tra khối lượng các yếu tố tham gia, cho biết mức độ tham gia của khối lượng trong mỗi mode và mỗi hướng. Các giá trị này có thể được xuất ra từ chương trình phân tích và nó cần được đảm bảo rằng tổng các giá trị cho mỗi hướng là một lượng vừa đủ của khối lượng của kết cấu (thường được đưa ra là 90 %). Với các mô hình lớn hơn, cần nhiều mode hơn để đạt được 90 %.

A.5.4.3  Mô hình phân tích phổ phản ứng đa mode

A.5.4.3.1  Đầu vào

Số liệu đầu vào chính cho phân tích phổ phản ứng là mối quan hệ giữa gia tốc và chu kỳ phương thức

A.5.4.3.2  Lời giải

Bài toán được chuyển từ n cặp phương trình sang m phương trình không cặp, trong đó n là số bậc tự do và số dạng mode được xem xét trong phân tích phương thức.

Đối với mỗi dạng mode, có một tần số liên quan được xác định bằng cách thực hiện phân tích trị riêng trước khi phân tích phổ phản ứng. Tất cả các mode không đóng góp như nhau vào phản ứng của kết cấu, vì vậy trong khi giới hạn trên của m là n, nói chung m có thể nhỏ hơn n đáng kể. Số mode thích hợp để sử dụng là được xác định bằng cách kiểm tra đầu ra của các yếu tố tham gia đông đảo từ phân tích giá trị riêng.

Kết hợp các dạng mode và đặc tính khối lượng của hệ thống cho phép một tập hợp các "lực" quán tính được phát triển cho từng mode. Khi chúng được áp dụng cho kết cấu và nhân với một giá trị gia tốc, phản ứng động của mode trải qua gia tốc đó có thể được xác định. Vì phổ phản ứng cung cấp các giá trị gia tốc đỉnh trong khoảng thời gian tải địa chấn đối với các tần số khác nhau, đáp ứng đỉnh cho mỗi mode chỉ đơn giản là tác động của “lực” quán tính nhân với phổ phản ứng sắp xếp liên quan đến tần số của mode. Sau đó, bằng cách tổ hợp các hiệu ứng của tất cả các mode, tổng phản ứng của kết cấu được tìm thấy. Vì hiệu quả, mỗi mode được coi như một hệ SDOF với gia tốc cực đại đã biết (từ phổ phản ứng), quy trình này làm giảm đáng kể các yêu cầu tính toán khi so sánh với các phương pháp bước thời gian được mô tả trong A.5.4.4.2.

...

...

...

A.5.4.3.3  Đầu ra

Kết quả phân tích phổ phản ứng là giá trị đầu ra đỉnh, không phải là giá trị theo thời gian cụ thể. Theo cách mà các phản ứng của các mode khác nhau được tổ hợp, dấu của phản ứng bị mất và do đó tất cả các giá trị trong kết quả đều dương. Vì hai sự thật này, phải cẩn thận khi sử dụng kết quả phân tích. Các phản ứng được xác định là không đồng thời , và do đó các phản lực cơ sở không thể được tính tổng, vì điều đó sẽ đánh giá quá cao giá trị do các phản lực đỉnh có thể xảy ra ở các trường hợp thời gian khác nhau

A.5.4.4  Phân tích lịch sử thời gian

Đầu vào: Đầu vào của phân tích lịch sử thời gian là tập các chuyển động nền, điển hình là gia tốc và thời gian.

Lời giải: Với hệ nhiều bậc từ do (MDOF) với n bậc tự do, phương trình chuyển động được cho là kết quả của n phương trình vi phân. Phương pháp giải có hai loại sau:

Phương pháp bước thời gian: Các phương trình cân bằng động được giải theo bước thời gian rời rạc bằng sử dụng điều kiện ban đầu, giá trị của bước thời gian trước, và giả thiết liên quan đến các giá trị theo các bước khác nhau thế nào.

Phân tích lịch sử thời gian phương thức: Phân tích lịch sử thời gian phương thức yêu cầu xác định dạng mode và tần số.

Đầu ra: Phân tích lịch sử thời gian xác định phản ứng của tất cả các bước thời gian.

A.6  Xác minh / thẩm định

...

...

...

Phần mềm phân tích và thiết kế đã gần như phổ biến trong thiết kế cầu. Một số gói phần mềm có thể tạo mô hình từ đầu vào hạn chế với việc lập mô hình "trình thuật", hãy kiểm tra mã các phần và tạo báo cáo với nhiều số liệu và sơ đồ tất cả chỉ trong thời gian ngắn. Một nhiệm vụ mà phần mềm không thực hiện là chịu trách nhiệm về bất kỳ kết quả nào. Dưới đây là tuyên bố điển hình trong hướng dẫn sử dụng phần mềm hoặc tài liệu cấp phép: “Thời gian, nỗ lực và chi phí đáng kể đã dành cho sự phát triển và tài liệu của các chương trình. Các chương trình đã được kiểm tra kỹ lưỡng và đã được sử dụng. Tuy nhiên, bằng cách sử dụng các chương trình, người dùng chấp nhận và hiểu rằng không có bảo hành được thể hiện hoặc ngụ ý bởi các nhà phát triển hoặc các nhà phân phối trên độ chính xác hoặc độ tin cậy của chương trình”.

Người sử dụng cần hiểu rõ các giả định của chương trình và phải độc lập xác minh kết quả.

Các ví dụ xác minh mô hình từ các thiết kế thực tế liên quan đến:

- Việc sử dụng các phương pháp phân tích tĩnh thay thế;

- Xác minh các hiệu ứng phụ thuộc vào thời gian;

- Kết quả của các điều kiện biên không chính xác của các phân tích hoạt tải của cầu dầm.

A.6.2  Xác minh phần mềm

Khi bắt đầu với một gói phân tích PTHH mới hoặc một bản cập nhật, điều quan trọng là tin rằng phần mềm hoạt động hoặc ngược lại để tìm ra nó sai. Thường thuận tiện khi bắt đầu bằng câu hỏi đơn giản “có phải một bài toán đối xứng chịu tải đối xứng mang lại kết quả đối xứng. Có thể làm một vấn đề đơn giản không đủ để người ta có thể xác định rằng tổng của các phản lực dọc, trên thực tế, bằng tổng của tải trọng thẳng đứng”,...

Một mặt có thể bắt đầu với bài toán đối xứng và chịu tải đối xứng để đơn giản hóa việc khẳng định của kết quả đối xứng là một phần của quá trình hiệu đính. Tương tự có thể sử dụng điều kiện biên để đơn giản tính luỹ phần lực để xác định liệu có sự cân bằng không. Khi kỹ năng cơ bản được tạo lập, có thể lập mô hình phức tạp hơn và xu hướng kết quả được xác minh, kể cả không tồn tại lợi giải kín.

...

...

...

Các kỹ sư phải thực hiện trách nhiệm chuyên môn liên quan đến việc kiểm tra kết quả của một phân tích chính xác. Chắc chắn có thể thực hiện kiểm tra từng dòng đối với các tệp đầu vào hoặc phần tử bằng cách kiểm tra phần tử thông qua giao diện đồ họa, vì thường có bộ mắt thứ hai kiểm tra mô hình sẽ bắt gặp các lỗi mô hình rõ ràng và việc kiểm tra như vậy thường được thực hiện, nhưng loại kiểm tra đó không xác nhận chức năng của phần mềm.

Khi các mô hình được xây dựng như một phần của quá trình thiết kế hoặc xem xét để đại diện cho một kết cấu chưa tồn tại, kết quả phân tích cần được xác minh. Việc xác minh mô hình có thể thực hiện nhiều cách khác nhau tùy thuộc vào những gì các mô hình sẽ được sử dụng.

Đối với thiết kế thông thường của các cầu dầm bản điển hình, ngay cả những cầu cong hoặc xiên, so sánh các mômen thiết kế và lực cắt để phân tích dầm đường thích hợp được thực hiện bằng cách sử dụng chương trình có thể cung cấp sự tin tưởng rằng các kết quả là hợp lý. Đơn giản chỉ cần kiểm tra kết quả bằng cách nhìn vào hình dạng bị lệch hoặc hình dạng của biểu đồ lực cắt và mô men, và các cường độ của các tác động lực cực đoan, có thể cung cấp sự tự tin khi chúng thỏa mãn cảm giác trực quan của nhà thiết kế cầu có kinh nghiệm.

Tốt nhất, các kết quả không trơn tru nên được kiểm tra xem có mức độ không liên tục cao đường viền giữa các phần tử, cho biết các vấn đề về mô hình hóa thường yêu cầu một lưới mịn hơn.

Nếu các giả định không tương thích được sử dụng trong việc xác định các lực lượng thiết kế cho các cấu kiện khác nhau, hãy đảm bảo rằng chúng là thiên về an toàn.

Nếu điều kiện, đặc biệt là đối với các phân tích phức tạp, đặc biệt khuyến nghị rằng các mô hình độc lập sử dụng các chương trình PTHH khác nhau được sử dụng để xác minh kết quả.

A.6.4  Mô hình thẩm định cho cầu cũ

Thường là có bản tính gốc và ít nhất có bản tính ứng suất. Tuy nhiên kết quả phân tích đánh giá lại có thể khác nhiều, điều đó có thể xảy ra.

Sẽ rất thích hợp để cố gắng đo đạc một số thông số, chẳng hạn chuyển vị, lực, hình dạng mode hoặc ứng suất, để so sánh với phân tích PTHH.

...

...

...

Việc so sánh kết quả phân tích và thực địa chỉ ra rằng máy tính lập mô hình chính xác đại diện cho tình hình vật lý. Bước này cung cấp một cơ sở tin cậy để dựa vào đó trang bị thêm có thể được xếp chồng lên nhau.

A.6.5  Thay đổi điều kiện biên không chính xác

Điều kiện biên là vấn đề lặp đi lặp lại trong phân tích PTHH. Các lỗi điều kiện biên trong các mô hình có thể dễ dàng bị bỏ qua, vì các vấn đề gối đỡ điểm thường không dễ thấy trực quan trên màn hình đồ họa, không giống như kết nối hoặc hình học. Điều cần thiết là sự kiềm chế thích hợp được bố trí tại các biên, bao gồm cả hướng.

Các điều kiện biên của mô hình có thể được xác minh theo một số cách. Phản lực có thể được xem để đánh giá các giá trị có như mong đợi không. Nếu mômen thấy tại các gối đỡ khớp hoặc các hiệu ứng lực trong các hướng dự định được giải phóng, khi đó các tham số điều kiện biên phải được sửa đổi. Có thể điều tra khớp trụ đỡ bằng cách xem hình dạng chuyển vị. Xác minh rằng sự dịch chuyển và quay như dự kiến. Một tải đơn giản có thể được chỉ định cho mô hình và các phản lực được xác minh là nằm trong phạm vi dự kiến.

A.7  Ứng dụng tải

A.7.1  Áp dụng tải

Việc áp dụng tải trọng kết cấu trong các chương trình PTHH có thể bao gồm từ xác định tải cụ thể tại mỗi nút trong mô hình. Hầu hết các chương trình phân tích cầu có khả năng áp dụng không chỉ tải trọng tập trung, mà còn tải trọng phân bố hoặc áp lực, thay đổi nhiệt độ dẫn đến giãn nở/co nhiệt được quy định chuyển vị, gia tốc đối với khối lượng dẫn đến tác dụng động lực. Nhiều chương trình cho phép xác định tổ hợp của tải trọng tập trung và tải trọng phân bố do các phương tiện ở các làn khác nhau.

Các khuyến nghị chung để áp dụng tải:

- Một nút phải có mặt tại các vị trí có tải trọng tập trung không di chuyển.

...

...

...

A.7.2  Tĩnh tải

A.7.2.1  Các thành phần được mô hình hóa

Việc kết hợp tĩnh tải của các thành phần được mô hình hóa có thể tương đối dễ dàng trong một phân tích chính xác. Vì chiều dài / chiều rộng của một phần tử và diện tích mặt cắt ngang / độ dày có sẵn cho chương trình, nó có thể tự động tính toán tĩnh tải của các phần tử được mô hình hóa bằng cách sử dụng khối lượng riêng của vật liệu và gia tốc trọng trường. Đối với các phần tử kết hợp không giống nhau vật liệu sử dụng tỷ lệ mô-đun để thay đổi một số kích thước, tỷ trọng có hiệu có thể được sử dụng để đạt được tải chính xác. Ngoài ra, gia tốc áp dụng có thể thay đổi thành tính toán cho sự khác nhau.

A.7.2.2  Các thành phần không được mô hình

Các thành phần không được mô hình là các phần tử hiện diện trên cầu, nhưng người thiết kế không muốn chúng đóng góp vào độ cứng của mô hình kết cấu. Các thành phần không được mô hình hóa có thể bao gồm nhưng không giới hạn ở các bản liên kết, ba lát, mặt tích hợp mài mòn, khả năng sẽ bị mài mòn, rào và các tiện ích khác, ...

A.7.3  Hoạt tải

Mô hình hóa hoạt tải phương tiện giao thông và các hoạt tải khác xem ở TCVN 13594-3:2022. Hoạt tải nói chung là như nhau không có vấn đề gì dù sử dụng phương pháp phân tích nào. Hầu hết các nội dung liên quan đến áp dụng đúng hoạt tải cho các mô hình đúng và khi mô hình chính xác có thể/nên sử dụng để có sự phân bố tải trực tiếp chính xác hơn.

Không tiêu chuẩn kỹ thuật nào có thể bao quát hết mọi trường hợp một kỹ sư có thể gặp. Khi hoạt tải đã được xác định, chúng cần được áp dụng một các xấp xỉ vào mô hình.

Để thực hiện thiết kế bộ phận, cần xác định hiệu ứng nhỏ nhất và lớn nhất của hoạt tải trong bộ phận. Yêu cầu hoạt tải trong mô hình cầu đặt ở vị trí gây ra hiệu ứng lực lớn nhất. Đối với một số kết cấu đơn giản vị trí đặt tải để cực đại hóa hiệu ứng của tải là dễ thấy bằng trực giác, nhưng những kết cấu phức tạp hơn có thể sử dụng đường ảnh hưởng hoặc mặt ảnh hưởng để xác định các thành phần này.

...

...

...

Tải trọng gió: Tổ hợp bất kỳ của tải trọng tập trung, phân bố hoặc áp lực có thể được sử dụng để áp dụng áp lực gió, cũng như tải trọng tĩnh tương đương với áp lực gió thu được.

Tải trọng ngang do ly tâm, hãm và kéo: Tải trọng ngang do ly tâm, hãm và kéo cũng được xem xét. Việc mô hình hóa điều kiện biên hoặc kết cấu gối liên kết kết cấu phần trên với kết cấu phần dưới một cách đúng đắn là quan trọng khi phân tích hiệu ứng tải trọng ly tâm, kéo và hãm. Cần cung cấp một đường truyền tải trọng để chịu các lực trong mặt phẳng này cho kết cấu dưới, và các gối thường là các cấu kiện tới hạn của đường truyền này.

Tải trọng nhiệt: Tải trọng nhiệt độ đều tăng hay giảm trong mô hình PTHH đạt được đơn giản bằng việc áp dụng thay đổi nhiệt độ đều ở các phần tử cấu thành lên mô hình. Các hiệu ứng tải trọng và/hoặc dịch chuyển có thể triết xuất từ mô hình. Khi có các kiềm chế vật lý, cần thận trọng khi khẳng định rằng các điều kiện biên phù hợp được dùng trong mô hình, chẳng hạn các kiềm chế không mong muốn từ các gối đỡ không bị chảy được lý tưởng hóa không gây ra cấu kiện bị vượt lực / ứng suất giả hoặc chuyển dịch không đúng.

Đặt tải vào kết cấu dưới: Khi kết cấu dưới được mô hình hóa dọc theo kết cấu trên, các hiệu ứng lực cực trị do hoạt tải có thể được xác định bằng cách tương tự như cho kết cấu trên. Độ cứng của phần tử giao diện kết cấu trên/kết cấu dưới sẽ phân bố đồng thời tự động các hiệu ứng lực và lực thiết kế có thể nhận được trực tiếp từ các đường/mặt ảnh hưởng. Khi kết cấu trên/kết cấu dưới được mô hình độc lập nhau, hiệu ứng lực cực trị ở mặt giao diện kết cấu trên/kết cấu dưới, thường là gối, cần được xác định trong mô hình kết cấu trên, sau đó áp dụng cho mô hình kết cấu dưới.

Xác minh hoạt tải: Việc tính toán đúng hiệu ứng của tải trọng di động yêu cầu áp dụng đúng các quy định về hoặc tải, số làn thiết kế, các hệ số nhân, kích cỡ vị trí của làn tải trọng và tải trực tiếp giữa các biên. Việc áp dụng đúng đắn này cho bài toán tổng quát là hoàn toàn thách thức.

Phần mềm không thể luôn thực sự cung cấp lời giải đúng, và lỗi người dùng cũng luôn có thể xảy ra. Nhưng việc kiểm tra đơn giản đường/mặt ảnh hưởng, việc đặt tải, hiệu ứng lực thu được, thường đủ để phát hiện các kết quả sai lầm.

A.7.4  Lực ứng suất trước

Cần tính toán lực ứng suất trước trong mô hình khi phân tích bê tông ứng suất trước. Thông thường có hai cách để lập mô hình ứng suất trước, phương pháp lực tương đương và phương pháp mô hình hóa rõ ràng. Tương đương với phương pháp lực thay thế các thanh / cáp thép bằng các lực tĩnh tương đương. Phương pháp mô hình hóa các thanh / cáp ở hình dạng chính xác của chúng và sau đó rút ngắn chúng bằng cách sử dụng chương trình để phát triển lực căng thích hợp.

A.7.5  Mô hình tải phi tuyến

...

...

...

Phân tích phi tuyến chỉ nên được thực hiện trong một số trường hợp. Hơn nữa, khi sử dụng bất kỳ tính năng tự động hoặc tổ hợp tải nào của bất kỳ phần mềm cụ thể nào kết hợp với bất kỳ phân tích phi tuyến tính nào, nên xác nhận rằng sự tổ hợp thực sự đang được thực hiện trước khi phân tích phi tuyến.

A.8  Phân tích thiết kế

A.8.1  Tính tương thích của phân tích và điều khoản kỹ thuật

Mặc dù phân tích là phần chính của thiết kế cầu, nó vẫn chỉ là một trong những bước trong nhiều bước quy trình thiết kế cầu. Phân tích như một phần của thiết kế cầu dầm bản thông thường đòi hỏi giải pháp đàn hồi tuyến tính bậc nhất cung cấp tải trọng kết quả dựa trên độ cứng và liên kết của các bộ phận. Thiết kế cầu cũng là một quá trình lặp, yêu cầu nhiều phân tích, thường là nhiều mô hình và nhiều trường hợp tải, như là thiết kế được tối ưu hóa. Sau mỗi lần phân tích, các bộ phận cầu tương tác phải được kiểm tra để đảm bảo chúng đáp ứng tất cả các TTGH bằng cách sử dụng các quy định của tiêu chuẩn kỹ thuật.

Hầu hết các phần mềm phân tích PTHH chỉ cung cấp kết quả phân tích dưới dạng lực hoặc ứng suất. Một vài gói phần mềm cung cấp kiểm tra đặc điểm kỹ thuật trong chương trình, nhưng người thiết kế nên xác minh rằng các kiểm tra đang được thực hiện chính xác và tất cả các kiểm tra liên quan đang thực hiện.

Một cách lý tưởng, các phương pháp phân tích cầu và phương pháp thiết kế cầu hoàn toàn tương thích, với sự tích hợp liền mạch của cả hai, làm cho nó trở thành một đề xuất tương đối dễ dàng để kiểm tra khả năng chịu tải của các bộ phận cầu cũng như kiểm tra tất cả các TTGH khác.

A.8.2  Kết quả phân tích cho đầu vào thiết kế

Khi kết quả phân tích không tương ứng với các đầu vào thiết kế được yêu cầu, cần có các bước hậu xử lý bổ sung để có các giá trị cần thiết để thực hiện kiểm tra thiết kế do tiêu chuẩn yêu cầu. Có thể có hai cách tiếp cận khác nhau; kết quả phân tích có thể được chuyển thành dạng cần thiết để áp dụng kiểm tra thông số kỹ thuật, hoặc đặc điểm kỹ thuật kiểm tra có thể được chuyển đổi thành một hình thức tương thích với các kết quả phân tích.

A.8.2.1  Tích hợp ứng suất

...

...

...

Quy trình chung được tóm tắt như sau:

- Xác định các đặc tính hình học của mặt cắt ngang, bao gồm cả kích thước của tất cả các phần tử riêng lẻ, trọng tâm và tâm cắt của toàn bộ mặt cắt ngang bằng cách sử dụng độ bền của vật liệu tiếp cận. và chiều rộng “tham gia” của bản, nếu cần thiết.

- Trích xuất lực cho bất kỳ phần tử dầm nào là một phần của mặt cắt ngang.

- Trích xuất ứng suất cho tất cả các phần tử vỏ và / hoặc phần tử khối là một phần của mặt cắt.

- Từ ứng suất cắt và các đặc tính hình học rút ra, xác định giá trị lực cắt tương đương và đường tác dụng đối với tất cả các phần tử vỏ và / hoặc phần tử rắn.

Hình A.19 - Minh họa, xác định mô men từ số liệu đầu ra ứng suất FEA

- Biến đổi lực cắt thành các thành phần trục chính và trục phụ nếu cần.

- Tính tổng lực cắt trục chính và lực cắt trục nhỏ, bao gồm bất kỳ phần tử dầm nào để có được lực cắt trục chính thực và lực cắt trục nhỏ một cách tương ứng.

...

...

...

- Xác định lực pháp tuyến tương đương và đường tác dụng đối với tất cả các phần tử vỏ và / hoặc phần tử rắn các yếu tố từ tuyến ứng suất pháp rút ra và các tính chất hình học.

- Tính tổng các lực pháp tuyến trên mặt cắt ngang để có lực dọc trục thực.

- Tính tổng các mômen từ các lực pháp tuyến tương đương nhân với khoảng cách của chúng từ tâm của mặt cắt ngang trong cả mặt phẳng trục chính và trục nhỏ cùng với bất kỳ mômen trục chính hoặc trục nhỏ nào từ các phần tử dầm để có được mômen trục chính thực và mômen trục nhỏ thực trên mặt cắt ngang. Lưu ý rằng nếu không có lực dọc trục thực trên mặt cắt ngang, các mômen có thể được tổng hợp về bất kỳ điểm nào trên mặt cắt, chẳng hạn như trục trung hòa.

Cần thận trọng để đảm bảo trục tọa độ của lát cắt được thiết và lập đúng trước tiên hiểu việc sử dụng dữ liệu đầu ra. Thực hiện một kiểm tra đơn giản có thể thực hiện bằng tay luôn là một khuyến nghị.

A.8.2.2  Kết cấu không liên hợp

Dầm không liên hợp chất tải tương đối đơn giản để mô hình hóa và thiết kế. Hiệu ứng lực mô hình được dựa trên độ cứng của dầm và khung ngang/vách ngăn. Với mô hình 1D và 2D, lực cắt, moomen và lực dọc trục thiết kế có thể được nhận trực tiếp. Với mô hình 3D lực thiết kế có thể cần được tích hợp như chỉ ra ở A.8.2.1 trước khi thiết kế dầm.

A.8.2.3  Kết cấu liên hợp

Khi mặt cắt liên hợp chịu uốn, ứng suất dọc trục trong dầm lớn ngay phía trên dầm và sau đó giảm khi di chuyển theo phương ngang do trễ cắt. Trong tính toán khả năng thiết kế của mặt cắt liên hợp, thường sử dụng đơn giản hóa. Một “chiều rộng có hiệu” danh nghĩa của dầm được chỉ định và ứng suất trên chiều rộng danh nghĩa giả định là đều và bằng ứng suất lớn nhất trong dầm. Chiều rộng có hiệu của ứng suất lớn nhất đều này bằng chiều rộng yêu cầu sao cho lực tổng bằng tổng lực tác dụng trên chiều rộng thực của bản tham gia.

Đối với các phân tích chính xác, kiến thức về chiều rộng có hiệu của dầm thường không đủ và đối với một số mức độ có thể gây hiểu lầm. Điều cần thiết cho thiết kế là tính toán mô men và lực cắt (có thể cả lực dọc trục) hiện diện trong dầm liên hợp.

...

...

...

A.8.2.4  Cầu dầm bê tông

Các cấu kiện bê tông nói chung được mô hình hóa bằng cách sử dụng các thuộc tính nguyên (không nứt) để xác định phân bố của các lực, kể cả sau đó có thể sử dụng những lực này để thiết kế mặt cắt bị nứt. Mặc dù độ cứng nứt các đặc tính ít khi sử dụng trong các mô hình thiết kế cầu dầm bản thường, chúng có thể được sử dụng đối với các kết cấu phức tạp hơn hoặc khi yêu cầu kết quả chính xác hơn.

Ứng suất phân tử vỏ rút ra từ mô hình phân tích chỉ áp dụng nếu ứng suất hiện thời không gây nứt hoặc vỡ bê tông. Nếu phân tích chỉ ra rằng nứt đã xảy ra, ứng suất đúng có thể được tìm bằng cách áp dụng hiệu ứng lực từ mô hình cho mặt cắt thiết kế, tính đến sự không tham gia của bê tông bị nứt do kéo.

Trong hầu hết các trường hợp, ứng suất rút ra trực tiếp từ một mô hình phân tích PTHH không sử dụng để phát triển hoặc kiểm tra thiết kế cấu kiện bê tông ở TTGHCĐ. Thay vào ứng suất nói chung là giá trị mô men, lực dọc, lực cắt chúng so với sức kháng tính được theo tiêu chuẩn thiết kế được sử dụng để xác định tính đủ của thiết kế.

A.8.2.5  Cầu dầm thép

Phần lớn bản mặt cầu bê tông trên cầu dầm thép được thiết kế và thi công hiện nay đều tận dụng lợi thế của ứng xử liên hợp bằng cách liên kết bản và dầm, mặc dù một số thiết kế mới cũng như một số cầu cải tạo được thiết kế không liên hợp. Cầu dầm thép không liên hợp là đơn giản hơn để phân tích và thiết kế, vì tất cả các tải đều được áp dụng cho một mô hình chỉ có thép duy nhất và tải kết quả dễ dàng được tính toán và tổng hợp để áp dụng cho việc thiết kế dầm thép.

Các mô hình phân tích đối với các cấu kiện liên hợp thép - bê tông chịu uốn thường cho phép kéo trong bê tông mặt cầu và giả sử tác động liên hợp trên toàn bộ chiều dài cầu để xác định sự phân bố của các lực, mặc dù một số phần mềm cho phép sử dụng các phần "liên hợp một phần" trên phần vùng mômen âm. Các thuộc tính mặt cắt khác nhau sau đó được sử dụng trong thiết kế, dẫn đến phân tích ứng suất mô hình không tương đương với ứng suất được sử dụng cho thiết kế.

A.8.2.6  Mô hình dầm đốt sống

Kết quả ứng suất từ mô hình dầm cột sống là lực cắt, mômen (bao gồm cả xoắn) và lực dọc trục tại các mặt cắt thiết kế đã chọn của cầu.

...

...

...

A.8.2.7  Chuyển vị và độ vồng

Các phân tích chính xác là công cụ tốt để tính toán độ võng và / hoặc độ vồng một cách trực tiếp. Nhưng các mô hình sử dụng để tính độ võng thường hoàn toàn khác với các mô hình sử dụng để tính toán các hiệu ứng của tải trọng.

Đối với thiết kế cường độ, mục tiêu là đạt được hiệu ứng tải bằng hoặc lớn hơn hiệu ứng tải thực tế. Lý do là để thiết kế theo độ bền, mục đích là nhận được hiệu ứng tải lớn hơn hay bằng hiệu ứng tải hiện có (thiên về an toàn). Đối với thiết kế chuyển vị hoặc độ vồng, mục tiêu là càng chính xác càng tốt. Như vậy, phân tích chuyển vị nên bao gồm tất cả các nguồn phi kết cấu của độ cứng, chẳng hạn như các gờ và lớp phủ bề mặt.

A.8.2.8  Phần tử khối

Các phần tử khối gặp phải nhiều vấn đề tương tự như các phần tử vỏ, nếu không muốn nói là nhiều hơn. Nếu sử dụng phần tử khối để tạo mô hình cho một bộ phận chẳng hạn dầm cầu, người thiết kế cần phải tích hợp trên bề mặt và tổng hợp kết quả của tất cả phần tử khối và phần tử bất kỳ bổ sung khác của bộ phận để tính mômen, lực cắt và lực dọc trục cần thiết cho thiết kế. Vì lý do này, các phần tử khối là phù hợp hơn với việc phân tích các hiệu ứng cục bộ, khi có thể kiểm tra trực tiếp ứng suất.

A.8.2.9  Ứng xử phi tuyến

Các phép phân tích không đàn hồi và / hoặc phi tuyến thường được sử dụng để xác định năng lực của một phần tử hoặc hệ thống kết cấu theo một kịch bản tải cụ thể. Xác định khả năng không đàn hồi / phi tuyến có thể hữu ích trong các trường hợp, chẳng hạn như phân tích điều tra hoặc khi có yêu cầu hiện tượng sau chảy/sau tới hạn, ví dụ như trong việc đánh giá khả năng đẩy dần của cầu cho thiết kế địa chấn hoặc đánh giá khả năng dự phòng của cầu có các bộ phận đứt gãy tới hạn (FCM). Đặc biệt, phân tích dư thường liên quan đến các phần tử phức tạp và các mô hình vật liệu có thể tái tạo phản ứng không đàn hồi và phi tuyến tính của các cấu kiện dọc theo đường dẫn tải thay thế được kích hoạt sau khi hư hỏng FCM.

Do đó khi sử dụng kết quả của phân tích phi tuyến để thiết kế theo phương pháp hệ số, phải thực hiện tính toán hệ số trước khi áp dụng tải trong phân tích phi tuyến.

A.8.2.10  Ổn định

...

...

...

Các bộ phận chịu nén, chẳng hạn như cột hoặc vòm, dễ bị mất ổn định thường gọi là oằn. Đây là điều kiện trong đó kết cấu đạt mức tối đa hoặc tải trọng tới hạn và không thể duy trì bất kỳ tải bổ sung nào, thay vào đó là sự tăng dần biến dạng có thể dẫn đến sụp đổ. TTGH ổn định trong thiết kế cầu là một hàm của một số biến, gồm trạng thái ứng suất dư trong thép, độ thẳng ban đầu của cấu kiện, lệch tâm của tải trọng, tác động phụ thuộc thời gian (từ biến bê tông) và những kiềm chế đầu cấu kiện thực tế.

Khi các điều kiện nằm ngoài giới hạn của tiêu chuẩn kỹ thuật hoặc cần có kết quả chính xác hơn, có thể yêu cầu phân tích chuyển vị - tải phi tuyến để xác định các giai đoạn đầu của oằn.

A.8.2.10.2  Oằn xoắn ngang

Để thiết kế bản bê tông điển hình trên cầu dầm, ổn định dầm có thể là nội dung quan trọng. Tính ổn định của dầm bê tông đúc sẵn có thể rất quan trọng trong quá trình vận chuyển và lắp dựng. Ổn định của vùng mômen dương của dầm thép có thể là mối quan tâm trong quá trình lắp đặt dầm trước khi đổ bê tông bản. Để thiết kế bản bê tông điển hình trên cầu dầm, sử dụng các quy định của tiêu chuẩn kỹ thuật để đảm bảo ổn định trên cơ sở hiệu ứng tải từ phân tích đàn hồi tuyến tính.

A.8.2.11  Ứng xử động

Nói chung để phân tích động có hai phương pháp có thể: phương pháp phân tích phổ phản ứng và phương pháp phân tích lịch sử thời gian. Đối với các phân tích địa chấn, các tiêu chuẩn kỹ thuật cung cấp hướng dẫn về thời điểm nên sử dụng mỗi phương pháp. Điều này phụ thuộc vào tính năng của kết cấu, chẳng hạn như số nhịp, chiều dài nhịp, độ cong ngang, độ phức tạp tổng thể, cấp quan trọng, vùng địa chấn, v.v.

Sự phát triển của các mô hình phân tích PTHH cho mỗi phương pháp tương tự nhau, nhưng tải và kỹ thuật phân tích khác nhau. Phân tích lịch sử thời gian là phương pháp tiên tiến hơn trong hai phương pháp, vì có thể xem xét phi tuyến hình học, vật liệu, các tác động, và việc sử dụng nó được yêu cầu để phân tích các kết cấu có tầm quan trọng đáng kể và độ phức tạp. Khi phân tích động được được thực hiện chính xác, các hiệu ứng tải có thể được sử dụng trực tiếp để thiết kế các cấu kiện.

Thư mục Tài liệu tham khảo

...

...

...

2. TCVN 8893:2020, Cấp kỹ thuật Đường sắt.

1. QCVN 02:2022/BXD, Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về số liệu điều kiện tự nhiên dùng trong xây dựng

2. QCVN 08:2018/BGTVT, Quy chuẩn quốc gia về khai thác đường sắt.

3. TCVN 5664:2009, Phân cấp đường thủy nội địa.

4. SNiP 2.03.05-84 (SP 35.13330: 2011) Tiêu chuẩn thiết kế cầu và cống.

5. Tiêu chuẩn thiết kế kết cấu đường sắt và (giải thích Nhật Bản), RTRI, 2007-2010.

6. TB 10621:2014, Quy chuẩn thiết kế đường sắt tốc độ cao (của Trung Quốc).

7. BS 5400: Steel, Concrete and Composite Bridges.

8. Manual for Railway Engineering (MRE, AREMA).

...

...

...

10. EN 15273, Railway Applications, Part 3: Gauges.

11. EN 1337, Structural Bearings.

12. Designers' Guide to Eurocode EN 1990: Basis of Structure Design, J A Calgaro, H.Gulvanessian, Thomas Telford UK, 2012.

13. Designers' Guide to Eurocode 1: Action on Bridges, J A Calgaro, H.Gulvanessian, Thomas Telford UK, 2010.

14. Designers' Guide to Eurocode 2, Part 2: Concrete Bridges.

15. Designers' Guide to Eurocode 3, Part 2: Steel Bridges.

16. Designers' Guide to Eurocode 4, Part 2: Composite Bridges.

17. Bridge Design to Eurocodes Worked examples, JRC, 2012.

18. Guideline for Load and Resistance Assessment of Existing European Railway Bridges, 2007.

...

...

...

MỤC LỤC

Lời nói đầu

1  Phạm vi áp dụng

2. Các ký hiệu

3  Thuật ngữ, định nghĩa

4  Các phương pháp phân tích kết cấu được chấp nhận

5  Mô hình toán học

5.1  Tổng quát

...

...

...

5.2.1  Đàn hồi và không đàn hồi

5.2.2  Sự làm việc đàn hồi

5.2.3  Sự làm việc không đàn hồi

5.3  Hình học

5.3.1  Lý thuyết biến dạng nhỏ

5.3.2  Lý thuyết biến dạng lớn

5.4  Các điều kiện biên của mô hình

5.5  Cấu kiện tương đương

6  Phân tích tĩnh học

...

...

...

6.1.1  Tỷ số mặt cắt phẳng

6.1.2  Các kết cấu cong trong mặt bằng

6.1.3  Sai lệch hình học

6.2  Các phương pháp phân tích gần đúng

6.2.1  Mặt cầu

6.2.2  Các loại cầu dầm bản

6.2.3  Bề rộng dải tương đương đối với các loại cầu bản

6.2.4  Cầu giàn và vòm

6.2.5  Hệ số chiều dài có hiệu của cấu kiện chịu nén (K)

...

...

...

6.2.7  Phân bố tải trọng gió ngang trong hệ thống cầu dầm

6.2.8  Sự phân bố tải trọng ngang do động đất

6.2.9  Phân tích cầu bê tông thi công phân đoạn

6.3  Phương pháp phân tích chính xác

6.3.1  Tổng quát

6.3.2  Mặt cầu

6.3.3  Cầu dầm bản

6.3.4  Cầu dầm hộp và cầu mặt cắt nhiều ngăn

6.3.5  Cầu giàn

...

...

...

6.3.7  Cầu dây văng

6.3.8  Cầu treo dây võng

6.4  Sự phân bố lại mô men âm trong cầu dầm liên tục

6.4.1  Tổng quát

6.4.2  Phương pháp chính xác

6.4.3  Phương pháp gần đúng

6.5  Ổn định

6.6  Phân tích về gradient nhiệt

6.7  Phân tích tĩnh tương tác kết cấu - đường ray

...

...

...

7.1  Những yêu cầu cơ bản

7.1.1  Tổng quát

7.1.2  Sự phân bố khối lượng

7.1.3  Độ cứng

7.1.4  Giảm chấn

7.1.5  Tần số dao động riêng

7.2  Ứng xử động học đàn hồi

7.2.1  Dao động do đoàn tàu

7.2.2  Dao động do gió

...

...

...

7.3.1  Tổng quát

7.3.2  Các khớp dẻo và các đường chảy dẻo

7.4  Phân tích tải trọng động đất

7.5  Phân tích tải trọng va tàu

8  Phân tích theo mô hình vật lý

8.1  Thí nghiệm trên mô hình có tỷ lệ thu nhỏ kết cấu

8.2  Thử cầu

Phụ lục A (Tham khảo) Phương pháp phân tích chính xác

A.1  Tổng quát

...

...

...

A.3  Mô hình hóa dầm cầu tổng quát

A.4  Mô hình hóa cầu bê tông / cầu thép

A.5  Mô hình hóa nâng cao

A.6  Kiểm tra / áp dụng

A.7  Ứng dụng tải

A.8  Phân tích thiết kế

Thư mục Tài liệu tham khảo