Việc xác định tải trọng xe tác động lên bản mặt cầu là yếu tố quan trọng trong thiết kế và bảo trì cầu. Bài viết này phân tích ứng suất và nguy cơ nứt của bản mặt cầu dưới tác động của xe quá tải, dựa trên mô hình không gian 3D và phần mềm chuyên dụng Midas FEA.
Hình ảnh minh họa mô phỏng ứng suất trên bản mặt cầu do tải trọng xe
Tương Tác Giữa Bản Mặt Cầu và Hệ Dầm
Bản mặt cầu, hệ dầm dọc và dầm ngang tạo thành một kết cấu siêu tĩnh phức tạp. Việc phân tích kết cấu này theo mô hình không gian đòi hỏi tính toán phức tạp. Thông thường, quá trình phân tích được đơn giản hóa bằng cách sử dụng hệ số phân bố ngang để tính toán hoạt tải tác động lên từng dầm. Tuy nhiên, phương pháp này thường thiên về an toàn và chưa tiết kiệm vật liệu.
Phương Pháp Phân Tích Truyền Thống và Hạn Chế
Các phương pháp truyền thống thường xem xét bản mặt cầu như bản kê trên hai hoặc bốn cạnh, hoặc dải dầm liên tục. Việc xác định khẩu độ bản và điều kiện biên trong các phương pháp này còn nhiều điểm chưa nhất quán. Ví dụ, khẩu độ bản có thể được tính bằng khoảng cách tim giữa các sườn dầm hoặc khoảng cách giữa các mặt trong của sườn dầm. Điều kiện biên thường được coi là biên ngàm, giả định này chỉ hợp lý khi độ cứng chống xoắn của dầm đủ lớn và liên kết giữa bản mặt cầu và dầm đủ mạnh.
Xét Tải Trọng Xe Đa Trục và Mô Hình Không Gian
Khoảng cách giữa các trục xe tải thực tế thường nhỏ, đòi hỏi phải xét đến hiệu ứng tải trọng của các trục xe tác dụng đồng thời. Bài viết này sử dụng mô hình không gian 3D, xem xét sự làm việc đồng thời của bản mặt cầu và hệ dầm, để khắc phục những hạn chế của phương pháp truyền thống. Phần mềm Midas FEA được sử dụng để phân tích phi tuyến nứt, cho phép đánh giá chính xác ứng suất và nguy cơ nứt của kết cấu.
Kết Quả Phân Tích và Phân Bố Vùng Nứt
Kết quả phân tích cho thấy, dưới tác động của xe quá tải, độ võng và ứng suất trong cốt thép vẫn nằm trong giới hạn cho phép, trong khi bê tông đã bị nứt. Sườn dầm thường nứt ở cấp tải trọng nhỏ hơn so với bản mặt cầu. Phân bố vùng nứt trên bản mặt cầu cũng khác nhau tùy theo vị trí. Vùng giữa nhịp xuất hiện các vết nứt nhỏ ở tải trọng lớn hơn so với vùng đầu nhịp (0.5Pmax > 0.45Pmax).
Ảnh Hưởng của Hiệu Ứng Ngàm Sườn Dầm
Bản mặt cầu ở vùng đầu nhịp xuất hiện các đường nứt dọc giữa các sườn dầm và tại sườn dầm do hiệu ứng ngàm. Trong khi đó, bản mặt cầu ở vùng giữa nhịp có các đường nứt dọc giữa các sườn dầm do sườn dầm bị xoắn làm giảm hiệu ứng ngàm. Khi tải trọng xe quá tải lớn, xuất hiện các đường nứt dọc kéo dài giữa các bánh xe gần nhau ở vùng giữa nhịp mà không xuất hiện ở vùng đầu nhịp.
Kết Luận
Phân tích nứt bản mặt cầu làm việc chung với sườn dầm trên mô hình 3D cho kết quả tin cậy hơn so với các mô hình đơn giản hóa. Tuy nhiên, khối lượng tính toán lớn đòi hỏi sử dụng phần mềm chuyên dụng. Cần có những nghiên cứu bổ sung để đơn giản hóa việc tính toán nứt bản mặt cầu và sườn dầm, giúp tối ưu hóa thiết kế và bảo trì cầu.
