Xác định mối quan hệ giữa các thông số động lực học của hệ rung làm tăng độ bền, độ chống thấm của máng xi măng lưới thép

Đối với loại bê tông hạt mịn như XMLT, k ch thước hạt cốt liệu rất nhỏ, đường kính hạt lớn nhất ch khoảng 5 mm n n đã àm tăng đáng kể bề mặt diện tích riêng của cốt liệu dẫn đến hàm ượng

TRƯƠNG QUỐC BÌNH

XÁC ĐỊNH MỐI QUAN HỆ GIỮA CÁC THÔNG SỐ ĐỘNG LỰC HỌC CỦA HỆ RUNG LÀM TĂNG ĐỘ BỀN

ĐỘ CHỐNG THẨM CỦA MÁNG XI MĂNG LƯỚI THÉP

LUẬN ÁN TIẾN SĨ CƠ HỌC

HÀ NỘI 2014

TRƯƠNG QUỐC BÌNH

XÁC ĐỊNH MỐI QUAN HỆ GIỮA CÁC THÔNG SỐ ĐỘNG LỰC HỌC CỦA HỆ RUNG LÀM TĂNG ĐỘ BỀN

ĐỘ CHỐNG THẨM CỦA MÁNG XI MĂNG LƯỚI THÉP

Chuyên ngành: Cơ kỹ thuật

Mã số : 62 52 01 01

LUẬN ÁN TIẾN SĨ CƠ HỌC

Người hướng dẫn: PGS.TS Trần Văn Tuấn

HÀ NỘI 2014  

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi

Các kết quả, số liệu nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công

bố trong bất kỳ công trình nào

Tác giả luận án

Trương Quốc Bình

Tác giả xin chân thành cảm ơn Ban Giám Hiệu, khoa Công trình, các thầy giáo, cô giáo bộ môn Kết cấu công trình-Trường Đại học Thủy lợi đã tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả trong suốt quá trình làm luận án

Tác giả chân thành cảm ơn Công ty CMC và Trường Đại học Xây dựng,

đã tạo điều kiện thuận lợi về cơ sở mặt bằng, trang thiết bị để thực hiện nội dung chế tạo mô hình bàn rung theo 2 phương của luận án

Tác giả xin chân thành cảm ơn cán bộ và nhân viên Phòng thí nghiệm Vật liệu Xây dựng và Sức bền vật liệu trường Đại học Thủy lợi đã giúp đỡ thí nghiệm kết cấu và vật liệu trong quá trình thực hiện các thí nghiệm phục vụ luận án

MỤC LỤC

Trang

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU 5

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 8

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU 11

MỞ ĐẦU 13

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN CẦU MÁNG XI MĂNG LƯỚI THÉP VỎ MỎNG VÀ CÔNG NGHỆ RUNG CHẾ TẠO CẦU MÁNG XMLT 20

1.1 Kết cấu XMLT vỏ mỏng 20

1.2 Ứng dụng kết cấu xi măng ưới th p 21

1.3 Cầu máng XMLT 23

1.3.1 Khái quát chung 23

1.3.2 Dạng mặt cắt thân máng 24

1.3.3 Phân tích về cường độ cầu máng XMLT 28

1.3.4 Phân tích về độ chống thấm của cầu máng XMLT 30

1.4 Một số công nghệ chế tạo kênh, cầu máng XMLT 32

1.4.1 Chế tạo bằng thủ công 32

1.4.2 Chế tạo bằng vữa tự lèn 32

1.4.3 Chế tạo bằng phương pháp phun 32

1.4.4 Chế tạo bằng phương pháp rung 33

1.5 Một số t nh chất ưu biến ảnh hưởng độ rung n chặt b tông 34

1.5.1 Sự điều ch nh h n hợp 34

T nh đ ng nhất 36

ộ cứng và sự cứng hóa 37

ình ạng cốt liệu và cách cấu tạo của ch ng 37

ấp phối hạt 37

Ph gia 38

ết luận về ảnh hư ng của lưu iến đến rung l n chặt ê tông 38

1.6 Rung n chặt h n hợp b tông 39

i i thiệu chung 39

Phân t ch cố kết đầm chặt của quá trình rung 40

1.6.3 Ảnh hư ng của rung đầm chặt đến cường độ của bê tông 43

1.6.4 Ảnh hư ng của rung đầm chặt đến độ chống thấm của bê tông 44

ao động của hệ ch rung ằng hối lệch tâm để đ c cầu mángXMLT 45

1.7 Nhận xét và kết luận chương 1 47

CHƯƠNG 2NGHIÊN CỨU THIÊT KẾ MÁY RUNG CỘNG HƯỞNG THEO HAI PHƯƠNG CHẾ TẠO CẦU MÁNG XI MĂNG LƯỚI THÉP 50

2.1.Nghiên cứu bản chất của quá trình rung 2 phương chế tạo cấu kiện XMLT 50 2.1.1 Quá trình tuyến t nh h a ma sát và chuyển động của h n hợp ê tông trong mặt ph ng c ma sát 50

Rung phương cộng hư ng theo phương ngang 51

2.2 Phương trình dao động của hệ k ch rung bằng khối ệch t m 51

ô hình động lực h c máy rung theo phương 51

2.2.2 Hệ phương trình ao động và lời giải: 52

2.3 Chọn sơ bộ một số thông số của máy rung 55

Xác định các thông số cơ ản của cơ cấu gây rung, hệ thống lò xo 57

Xácđịnh các thông số iên độ, vận tốc, gia tốc theo phương ngang OX 60

Xác định các thông số iên độ, vận tốc, gia tốc theo phương đứng OY 64

2.4 Khảo sát các mối quan hệ của bi n độ, tần số, thời gian rung khi đúc cầu máng XMLT ảnh hưởng độ bền n n, độ chống thấm của kết cấu 68

2.4.1 Khảo sát hàm iên độ 69

2.4.2 Vận tốc 75

2.4.3 Gia tốc 79

2 Sơ đ quy trình tính toán có trợ giúp của máy tinh 82

2.4.5.Mô hình 3D của máy rung theo phương chế tạo cầu máng XMLT 84

2.4.6 Công suất động cơ gây rung 85

CHƯƠNG 3CHẾ TẠO MÁY RUNG 2 PHƯƠNG VÀ KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM 88

3.1 Thiết kế chế tạo mới mô hình máy rung hai phương 89

3.1.1 Phân tích về đ ng dạng của mô hình và máy thực 89

3.1.2 Chế tạo máy rung phương 93

T nh toán xác định và lựa ch n các thông số cơ ản của máy rung 97

3.1.4 Thí nghiệm kiểm chứng các thông số cơ ản của máy rung mô hình 117

3.2 Chế tạo các mẫu bê tông tiêu chuẩn bằng các máy rung một phương và hai phương 122

3.2.1 Giới thiệu thiết bị thí nghiệm 122

3.1.2 Đúc mẫu trên các máy rung một và hai phương 122

3.3 Kết quả nén các mẫu b tông và đo độ thấm 123

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 128

KIẾN NGHỊ 129

ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN 130

DANH MỤC CÔNG TRÌNH 131

ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ 131

TÀI LIỆU THAM KHẢO 132

Tổng độ cứng tính toán của máy rung theo phương Ox và Oy N/m

Độ cứng tính toán của 1 lò xo ngang tác dụng n phươngOy N/m

Độ cứng của 1 lò xo thực phương Ox tác dụng n phương

Dn(x), Dn(y) Đường kính ngoài ò xo theo phương Ox và Oy m

Dtb(x), Dtb(y) Đường k nh trung bình ò xo theo phương Ox và Oy m

Fbt Trọng ượng bản thân của khối ượng tham gia dao động N

g Gia tốc trọng trường m/s2

h1 Chiều cao từ t m cung tròn đáy máng đến đường mặt nước m

h2 Chiều cao từ mặt nước đến đường trục thanh giằng ngang m

ΔH Độ cao vượt an toàn để tránh nước trào khi có sóng gió m

k Hệ số kể đến ảnh hưởng của ượng b tông tham dao động

Lx, Ly Chiều dài làm việc của ò xo theo phương Ox và Oy m

Xa, Ya Bi n độ dao động theo phương Ox và Oy mm

θx, θy Góc lệch pha giữa lực kích rung và dịch chuyển theo phương

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Thuyền XMLT đầu ti n tr n thế giới của J L Lambot Pháp,1848 20

Hình 1.2 Hệ thống k nh XMLT T nh An Giang 23

Hình 1.3 Cầu máng xi măng ưới thép 24

Hình 1.4 Các dạng mặt cắt ngang thân máng 25

Hình 1.5 Đoạn kênh máng 25

Hình 1.6 Máng có mặt cắt chữ nhật 26

Hình 1.7 Mặt cắt ngang máng 27

Hình 1.8 Mô phỏng tính toán bằng phần mềm Sap 2000 29

Hình 1.9 Biểu đồ ứng suất 29

Hình 1.10 Quan hệ cường độ bê tông chịu uốn và k o vào cường độ chịu nén 36 Hình 1.11 Quan hệ giữa cường độ b tông đông cứng và gia tốc máy rung với các tỷ lệ N/X khác nhau của h n hợp 43

Hình 1.12 Quan hệ hệ số thấm và thể tích l r ng macro 44

Hình 1.13 Mô hình rung theo phương đứng 45

Hình 2.2 Mô hình máy rung theo 2 phương 51

Hình 2.3 Máng mặt cắt chữ nhật 55

Hình 2.4 Đồ thị hàm số Xa ω và Ya ω 70

Hình 2.5 Đồ thị hàm số Xa(hx), Ya(hy) 71

Hình 2.6 Đồ thị hàm số Xa(k), Ya(k) 73

Hình2.7 Đồ thị hàm số Xa(M), Ya(M) 74

Hình 2.8 Đồ thị hàm số Vax ω , Vay ω 76

Hình 2.9 Đồ thị hàm số Vax(hx), Vay(hy) 77

Hình 2.10 Đồ thị hàm số Vax(k), Vay(k) 78

Hình 2.11 Đồ thị hàm số Vax(M), Vay(M) 79

Hình 2.12 Đồ thị hàm số Ẍa ω , Ÿa ω 80

Hình 2.13 Đồ thị hàm số Ẍa(hx , Ÿa(hy) 81

Hình 2.14 Đồ thị hàm số Ẍa(k , Ÿa(k) 82

Hình 2.15 Sơ đồ quy trình tính toán có trợ giúp của máy tinh 84

Hình 2.16 Mô hình 3D của máy rung 2 phương đúc cầu máng XMLT 84

Hình 3.1 Mô hình tổng quát của quá trình hoặc hệ thống 88

Hình 3.2 Ván khuôn đúc k nh máng mô hình đặt úp 94

Hình 3.3 Kết cấu máy rung 2 phương 95

Hình 3.4 Cụm lò xo ngang 96

Hình 3.5 Đo biến dạng lò xo 96

Hình 3.6 Cụm ò xo đứng 96

Hình 3.7 Sự phụ thuộc giữa bi n độ, tần số với cường độ 97

Hình 3.8 Động cơ g y rung 98

Hình 3.9 Mô hình 3D 100

Hình 3.10 Sơ đồ tính 100

Hình 3.11 Biểu đồ nội lực của trụ đứng 101

Hình 3.12 Mặt cắt tại chân trụ 101

Hình 3.13 Đồ thị hàm số Xa ω và Ya ω 109

Hình 3.14 Đồ thị hàm số Vax ω , Vay ω 111

Hình 3.15 Đồ thị hàm số Ẍa ω , Ÿa ω 112

Hình 3.16 Đồ thị Xa ω , Ya ω với mor = 0,029 kg.m 113

Hình 3.17 Đồ thị Xa ω , Ya ω với mor = 0,036 kg.m 113

Hình 3.18 Đồ thị Xa ω , Ya ω với mor = 0,046 kg.m 114

Hình 3.19 Đồ thị Vax ω , Vay ω với mor = 0,029 kg.m 115

Hình 3.20 Đồ thị Vax ω , Vay ω với mor = 0,036 kg.m 115

Hình 3.21 Đồ thị Vax ω , Vay ω với mor = 0,046 kg.m 115

Hình 3.22 Đồ thị Ẍa ω , Ϋa ω với mor = 0,029 kg.m 116

Hình 3.23 Đồ thị Ẍa ω , Ϋa ω với mor = 0,036 kg.m 117

Hình 3.24 Đồ thị Ẍa ω , Ϋa ω với mor = 0,046 kg.m 117

Hình 3.25 Máy đo bi n độ, vận tốc, gia tốc và máy biến tần 118

Hình 3.26 Máy rung 2 phương mô hình mới chế tạo 118

Hình 3.27 Đồ thị Xa - ω với mor = 0,029 (kg.m); M = 200 (kg) 119

Hình 3.28 Đồ thị Xa - ω với mor = 0,036 (kg.m); M = 200 (kg) 120

Hình 3.29 Đồ thị Xa – ω với mor = 0,046 (kg.m); M = 200 (kg) 120

Hình 3.30 Đồ thị Ya – ω với mor = 0,029 (kg.m); M = 200 (kg) 120

Hình 3.31 Đồ thị Ya - ω với mor = 0,036 (kg.m); M = 200 (kg) 121

Hình 3.32 Đồ thị Ya - ω với mor = 0,046 (kg.m); M = 200 (kg) 121

Hình 3.33 Máy rung b tông 1 phương 123

Hình 3.34 Quan hệ giữa cường độ và thời gian rung Rn – t 124

Hình 3.35 Quan hệ giữa cường độ nén - thời gian - mômen tĩnh 124

Hình 3.36 Quan hệ giữa áp lực thấm - thời gian rung - mômen tĩnh 125

Hình 3.37 Nén mẫu bê tông tại phòng thí nghiệm ĐHTL 126

Hình 3.38 K nh máng đúc bằng máy rung mới chế tạo 126

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Quy định mác chống thấm của bê tông thủy công 31

Bảng 2.1 Các thông số của ò xo phương đứng 58

Bảng 2.2 Các thông số của lò xo ngang 59

Bảng 2.3 Bảng kết quả tổng hợp tính toán 68

Bảng 2.4 Các hằng số trong hàm Xa ω , Ya ω 69

Bảng 2.5 Kết quả số liệu khảo sát hàm số Xa ω , Ya ω 69

Bảng 2.6 Các hằng số trong hàm Xa(hx), Ya(hy) 70

Bảng 2.7 Kết quả khảo sát hàm số Xa(hx), Ya(hy) 71

Bảng 2.8 Các hằng số trong hàm Xa(k), Ya(k) 72

Bảng 2.9 Kết quả khảo sát hàm số Xa(k), Ya(k) 73

Bảng 2.10 Các hằng số trong hàm Xa(M), Ya(M) 73

Bảng 2.11 Kết quả khảo sát hàm số Xa(M), Ya(M) 74

Bảng 2.12 Kết quả khảo sát hàm số Vax ω , Vay ω 75

Bảng 2.13 Kết quả khảo sát hàm số Vax(hx), Vay(hy) 76

Bảng 2.14 Kết quả khảo sát hàm số Vax(k), Vay(k) 77

Bảng 2.15 Kết quả khảo sát hàm số Vax(M), Vay(M) 78

Bảng 2.16 Kết quả khảo sát hàm số Ẍa ω , Ÿa ω 80

Bảng 2.17 Kết quả khảo sát hàm số Ẍa(hx , Ÿa(hy) 80

Bảng 2.18 Kết quả khảo sát hàm số Ẍa(k , Ÿa(k) 81

Bảng 3.1 Kết quả tính toán các thông số cần thiết của máy rung mô hình 104

Bảng 3.2 Các hằng số trong hàm Xa ω , Ya ω 107

Bảng 3.3 Kết quả khảo sát hàm số Xa ω , Ya ω 109

Bảng 3.4 Kết quả khảo sát hàm số Vax ω , Vay ω 110

Bảng 3.5 Kết quả khảo sát hàm số Ẍa ω , Ÿa ω 111

Bảng 3.6 Kết quả khảo sát mối quan hệ Bi n độ - Tần số của máy rung với một số mor khác nhau 112

Bảng 3.7 Kết quả khảo sát mối quan hệ Vận tốc - Tần số của máy rung với một

số mor khác nhau 112 Bảng 3.8 Kết quả khảo sát mối quan hệ Gia tốc - Tần số của máy rung với một

số mor khác nhau 113Bảng 3.9 Kết quả đo bi n độ - tần số của máy rung với m i giá trị mô men tĩnh

mor khác nhau 119Bảng 3.10 Các kết quả nén mẫu bê tông 123Bảng 3.11 Kết quả đo áp ực thấm 125

MỞ ĐẦU

Trong những năm gần đ y, k nh và cầu máng xi măng ưới thép ( XMLT ) chế tạo bằng công nghệ rung ngày càng được áp dụng rộng rãi trong ngành Thuỷ lợi - Nông nghiệp và Phát triển nông thôn, kết cấu này đã có mặt ở rất nhiều t nh thành trong cả nước như : Hà T y, Nam Định, Quảng Nam, Phú Yên, TP Hồ Chí Minh, An Giang…Nhà nước đã và đang đầu tư nhiều tỷ đồng cho việc kiên cố

và hiện đại hóa hệ thống tưới ti u nước trong nông nghiệp nhằm đẩy mạnh hơn nữa phát triển nông nghiệp - ương thực, một trong những mục tiêu quan trọng nhất để phát triển Việt Nam trong giai đoạn mới

Về mặt khoa học công nghệ, các loại kênh, cầu máng XMLT sản xuất bằng phương pháp rung đã đạt được sự tiến bộ rất lớn so với phương pháp trát tay thủ công trước đ y : k nh XMLT có bề mặt của cấu kiện nhẵn phẳng làm giảm thiểu

ma sát của dòng chảy, rất có lợi về mặt thủy lực giúp àm tăng hiệu suất cấp thoát nước Các k ch thước của kết cấu được chế tạo chính xác do sử dụng các ván khuôn th p được thiết kế và gia công cơ kh , thi công thuận lợi, lắp ghép nhanh chóng, ngoài ra chúng có thể được chế tạo theo dây chuyền công nghệ

àm tăng năng suất ao động, đảm bảo chất ượng đồng đều và đem ại hiệu quả kinh tế cao

Cường độ và độ chống chống thấm của kết cấu XMLT nói chung và cầu máng xi măng ưới th p nói ri ng đóng vai trò quan trọng hàng đầu vì ảnh hưởng trực tiếp đến độ bền và tuổi thọ của công trình Vật liệu XMLT là một dạng bê tông hạt mịn cấu thành từ nhiều thành phần như: ưới thép, hạt cát có cấp phối khác nhau, tỷ lệ nước trong h n hợp, chủng loại xi măng được sử dung…n n với một cấp phối vật liệu nhất định, tỷ lệ nước-xi măng phù hợp thì một công nghệ rung đầm chặt thích hợp để tạo ra sự đặc chắc khi b tông đông cứng đóng vai trò vô cùng quan trọng đối với độ bền và độ chống thấm của XMLT

Đối với loại bê tông hạt mịn như XMLT, k ch thước hạt cốt liệu rất nhỏ, đường kính hạt lớn nhất ch khoảng 5 mm n n đã àm tăng đáng kể bề mặt diện tích riêng của cốt liệu dẫn đến hàm ượng nước và xi măng tăng n, àm tăng sự

co ngót và độ r ng của b tông tăng n do đó việc áp dụng một công nghệ rung phù hợp, sử dụng triệt để hiệu ứng rung àm tăng độ đặc chắc của bê tông khi rung, làm giảm ượng khí và giảm độ r ng trong h n hợp dẫn đến àm tăng cường độ và độ chống thấm của kết cấu XMLT

Phương pháp rung đầm chặt có ưu điểm à có độ tin cậy cao vì dựa vào một công nghệ có truyền thống, nhưng khi áp dụng cho XMLT cần nghiên cứu các phương pháp, các thông số rung cho phù hợp vì vữa xi măng ưới thép có cấp phối hạt rất mịn n n quá trình đầm chặt sẽ khác với vữa bê tông thường Mặt khác ưới th p gia cường trong kết cấu XMLT có hình dáng đa dạng và phân bố đều hơn về mặt thể tích trong kết cấu so với bê tông cốt th p thông thường nên

đã àm tăng độ bám dính của vữa vào ưới thép và ảnh hưởng đến di chuyển của cốt liệu, ảnh hưởng đến các thông số dao động đầm chặt Các thông số dao động

cơ bản như tần số và bi n độ, thời gian dao động có ảnh hưởng quyết định đến

sự đầm lèn chặt của vữa

Vì những lý do phân tích ở trên nên trong luận án này, tác giả giới hạn đề

tài nghiên cứu à “Xác định mối quan hệ giữa các thông số động lực học của

hệ rung làm tăng độ bền, độ chống thấm của máng xi măng lưới thép.”

M c đ ch và nội dung nghiên cứu

Mục đ ch à nghi n cứu các ảnh hưởng của thông số dao động của hệ rung đối với độ bền và độ chống thấm của cầu máng XMLT; nghiên cứu các đặc điểm của hệ dao động theo một phương truyền thống, phân tích các thuận lợi cũng như hạn chế của hệ, đề xuất hệ rung hai phương mới để chế tạo cầu máng XMLT và phân tích các thông số ảnh hưởng có lợi cho sự rung đầm chặt của bê tông, góp phần àm tăng độ bền cũng như độ chống thấm của kết cấu

Về nội dung nghiên cứu gồm:

1 Tìm hiểu về phạm vi sử dụng, đặc thù kết cấu XMLT và vật liệu chế tạo chúng Nghiên cứu các phương pháp sản suất đúc rung - tạo hình và lèn

chặt sản phẩm) bê tông cốt liệu nhỏ, đề xuất sử dụng công nghệ mới: máy rung hai phương cộng hưởng lợi dụng hiệu ứng tuyến tính hóa ma sát chế tạo kết cấu XMLT

2 Nghiên cứu mô hình máy rung hai phương cộng hưởng; khảo sát ảnh hưởng của các thông số động học, động lực học có ảnh hưởng tới độ bền

và độ chống thấm của XMLT Đề xuất quy trình thiết kế máy rung hai phương thí nghiệm

3 Xây dựng mô hình thí nghiệm: Thiết kế chế tạo và tiến hành đo so sánh các thông số chính của máy thí nghiệm và mô hình tính toán lý thuyết; đo

so sánh độ bền n n và độ chống thấm của mẫu khuôn các cấp phối bê tông

cốt liệu nhỏ trên máy rung một và hai phương Đúc thử mẫu cầu máng

XMLT và đề xuất quy trình ứng dụng kết quả nghiên cứu thực nghiệm cho việc đúc cầu máng XMLT

4 Kết luận và kiến nghị

ối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của luận án là các chế độ làm việc của máy rung một phương và hai phương ảnh hưởng đến chất ượng của sản phẩm là vật liệu xi măng ưới thép về một số đặc trưng quan trọng nhất của vật liệu à độ bền và độ chống thấm của vật liệu, nó bị ảnh hưởng bởi sự rung đầm chặt h n hợp

Để nghiên cứu chế độ làm việc của hệ cần đi s u ph n t ch nguy n ý hoạt động của hệ rung, các nguyên lý toán học, cơ học của hệ về mặt lý thuyết cũng như thực hành, tìm và đánh giá các thông số của máy ảnh hưởng đến chất ượng đầm chặt bê tông hạt mịn dùng cho kết cấu cầu máng XMLT Các thông số chủ yếu gồm bi n độ dao động, vận tốc cũng như gia tốc được khảo sát kỹ để tìm được các ảnh hưởng có lợi cho việc rung đầm chặt bê tông, các thông số này được đo đạc kiểm chứng thông qua thực nghiệm

Phương pháp nghiên cứu

Trong luận án này, phương pháp giải tích về dao động theo 2 phương đã được sử dụng, trong một cơ hệ dao động theo 2 phương thì các phương ri ng biệt sẽ ảnh hưởng đến phương kia và tác động vào bê tông dao động theo hệ, các

tác nhân khác ảnh hưởng đến bi n độ, vận tốc của hệ, các ảnh hưởng của lực cản, liên kết cũng được ph n t ch và đánh giá cụ thể Phương pháp thực nghiệm trong đo đạc và chế tạo đã được sử dụng khi chế tạo máy rung 2 phương và các mẫu bê tông và mô hình sản phẩm thu nhỏ của máy Phương pháp số đã được dùng để tính toán so sánh, phân tích tổng hợp kết quả Các bài toán nhiều tham

số được khảo sát bằng các công cụ hiệu quả trong Microsoft Excel, bảng biểu và

đồ thị thể hiện rõ các kết quả tính toán, phân tích

Ý nghĩa hoa h c và thực tiễn

Nguyên lý của hệ dao động chế tạo các kết cấu b tông đúc sẵn hoặc đổ tại

ch phát triển cho việc chế tạo cầu máng XMLT đã thay thế hẳn phương pháp thủ công trát tay thông thường từ nhiều năm nay tại Việt Nam Việc ứng dụng rộng rãi kết cấu XMLT vỏ mỏng nói chung trong các ĩnh vực xây dựng và trong kết cấu máng XMLT trong thuỷ lợi những năm gần đ y chứng tỏ những ưu điểm được thực tế thừa nhận

Việc ra đời phương pháp rung công nghiệp thay cho phương pháp thủ công đã tạo ra những công trình đóng góp thiết thực vào việc n ng cao năng suất cây trồng, tiết kiệm đất đai, giảm chi phí duy tu bảo dưỡng công trình Hệ thống cung cấp nước bằng kênh, cầu máng vỏ mỏng XMLT tạo ra cảnh quan môi trường đẹp và phù hợp với định hướng công nghiệp hoá - hiện đại hoá nông thôn

Hiện nay và một số năm tới, Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn đang có chủ trương x y dựng một số tuyến k nh XMLT tương đối lớn với kinh ph đầu

tư nhiều t đồng để cấp nước cho một số khu vực thiếu nước ở miền Trung như Phú Y n, Nha Trang… và hiện nay với mục tiêu to lớn phát triển nông thôn mới, cho thấy nhu cầu phát triển hạ tầng nông nghiêp nông thôn vô cùng to lớn,

hệ thông cấp nước trong nông nghi p, thoát nước cho các vùng ngập lụt càng trở nên quan trọng và cấp thiết Việc áp dụng công nghệ chế tạo kết cấu XMLT nói chung và kênh, cầu máng XMLT nói riêng bằng phương pháp rung công nghiệp

quy mô lớn là rất quan trọng và cấp thiết để thực hiện mục tiêu to lớn nói trên của Nhà nước và nhân dân

Cấu trúc của luận án

Luận án gồm phần mở đầu, 3 chương nội dung và chương kết luận, và một

số mục theo quy định, cụ thể như sau:

Phần mở đầu: Giới thiệu về công trình nghiên cứu, lý do lựa chọn đề tài, t n đề

tài, mục đ ch, đối tượng, phạm vi nghiên cứu, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của

không gian, ph n t ch và cách xác định độ chống thấm của kết cấu XMLT, các

công nghệ chế tạo kênh, cầu máng XMLT hiện nay

Quá trình phát triển của dao động và phân tích ảnh hưởng của nó đối với công tác đầm lèn chặt h n hợp b tông, ph n t ch phương trình của hệ kích rung

một phương bằng khối lệch tâm, từ đó xem x t các nguy n nh n và biện pháp

của hệ rung nhằm tăng khả năng đầm lèn chặt b tông để àm tăng độ bền và độ chống thấm của bê tông và cầu máng XMLT Đề xuất công nghệ rung mới đem lại hiệu quả rung đầm chặt tốt hơn Trong chương 1 tác giả đã đưa vào một số công trình của tác giả đã công bố :

- “Nghi n cứu xác định các thông số cơ bản của máy rung theo 2 phương trong công nghệ chế tạo kết cấu vỏ mỏng xi măng ưới th p”- Tuyển tập công trình khoa học hội nghị Cơ học toàn quốc 8-9/12/2012, NXB Bách khoa Hà nội 2013., Tập 4 - Cơ học máy

 “Nghi n cứu chế tạo kết cấu vỏ mỏng bằng vữa đầm chặt có cốt ưới, sợi

th p để sử dụng làm hệ thống máng dẫn các chất phế thải, bể chứa chất thải, bể

chứa biogas xử lý ô nhiễm môi trường”, Đề tài nghiên cứu khoa học công nghệ cấp cơ sở, Báo cáo tổng hợp, Trường Đại học Thủy lợi

 “ Nghi n cứu ảnh hưởng của các thông số dao động đến cường độ và độ thấm của kết cấu xi măng ưới th p”,Tạp chí Khoa học và Kỹ thuật Thủy lợi - Môi trường số 7 - 11 - 2004

 “App ying of ferrocement structures to construct of water system in tranditiona industry vi age”, symposium proceedings of Saitama University of Japan 2009

Chương 2: Nghiên cứu thiết kế máy rung cộng hưởng theo 2 phương chế tạo cầu máng XMLT

Đã nghi n cứu, xem xét bản chất quá trình rung 2 phương, tuyến tính hóa ma sát của h n hợp bê tông chuyển động, nghiên cứu cho phương ngang cộng hưởng

để giảm ma sát phương đứng Xây dựng mô hình cơ học và thiết lập phương trình của bàn rung theo 2 phương, khảo sát các thông số của hệ theo phương đứng và phương ngang, ph n t ch ảnh hưởng của bi n độ, tần số, thời gian rung đến độ bền n n và độ chống thấm của cầu máng XMLT, thiết kế mô hình 3D của máy rung theo 2 phương và n u các ch dẫn thiết kế cần thiết Nội dung chương 2 tác giả đã công bố trong công trình sau:

 “ Nghi n cứu thiết kế bàn rung 2 phương cộng hưởng để chế tạo kênh máng xi măng ưới th p”, Tạp chí Khoa học và Công nghệ - Viện Hàn Lâm KH&CN Việt Nam ( Số 4/ 2014)

Chương 3: Chế tạo máy rung 2 phương và kết quả thực nghiệm

Trong chương 3 tác giả đã thiết kế chế tạo mới mô hình bàn rung 2 phương, chứng minh sự tương tự giữa máy mô hình và máy thực Tiến hành đo đạc kiểm chứng thực tế các thông số cơ bản của máy rung 2 phương mới, dùng máy rung

2 phương mới để chế tạo các mẫu b tông, đúc mô hình máng XMLT và so sánh với máy rung 1 phương về cường độ n n và độ chống thấm của b tông đông cứng, nhằm chứng minh t nh ưu việt của máy mới so với máy rung 1 phương truyền thống Nội dung cơ bản của chương 3 tác giả đã công bố trong công trình:

 “Kết quả thực nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của bàn rung cộng hưởng 2 phương khi đúc h n hợp bê tông cốt liệu nhỏ”, Tạp ch Cơ kh Việt Nam số 9-

2013

Kết luận chung

Chế tạo cầu máng bằng phương pháp rung hai phương có nhiều ưu điểm so với một số phương pháp khác, các thông số ảnh hưởng đến cường độ và độ chống thấm của cầu máng XMLT đã được ph n t ch đánh giá: Bi n độ rung, tần số rung, vận tốc và khối ượng rung ảnh hưởng chủ yếu đến cường độ và độ chống thấm của cầu máng XMLT Máy rung 2 phương mới chế tạo có các thông

số rung phù hợp với lý thuyết, đem ại hiệu quả đầm chặt tốt hơn máy rung theo

1 phương cả về cường độ và độ chống thấm thông qua các kết quả thí nghiệm các mẫu thử do cả 2 máy chế tạo trong cùng điều kiện

Luận án được thực hiện tại Viện Cơ học- Viện Hàn Lâm Khoa Học Việt Nam

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN CẦU MÁNG XI MĂNG LƯỚI THÉP VỎ MỎNG

VÀ CÔNG NGHỆ RUNG CHẾ TẠO CẦU MÁNG XMLT

1.1 Kết cấu XMLT vỏ mỏng

Sơ lược lịch sử phát triển của kết cấu XMLT

Xi măng ưới thép (XMLT) là loại vật liệu gồm vữa xi măng cát và các ưới th p, nó cũng thường được miêu tả như một vật liệu hoàn toàn mới với những đặc tính khác với bê tông cốt thép Tính chất của XMLT phụ thuộc vào vữa và sự phân bố của các thành phần trong h n hợp và k ch thước của chúng Một nhà nghiên cứu vật iệu à G.W Bigg đã nghi n cứu và định nghĩa ti u chuẩn cho vật liệu XMLT : “ Xi măng ưới thép là vật liệu h n hợp bao gồm vữa

xi măng và những lớp liên tục ưới th p gia cường, t lệ thể t ch gia cường, mặt phủ vữa trên mặt gia cường và chất ượng cao của vữa ”

Năm 1848 Joseph Louis

Lambot, người Pháp, lần đầu tiên

sử dụng vật iệu XMLT để làm vỏ

thuyền à dùng các tấm mỏng

XMLT thay thế cho g Con

thuyền bằng vật liệu này hiện còn

ưu giữ tại bảo tàng Brignoles ở

Pháp Nó có chiều dài 3,66m, rộng

1,22m và dày từ 25~38mm

Hình 1.1 Thuyền XMLT đầu ti n tr n thế giới của J L Lambot Pháp,1848

Nhiều nhà chế tạo tàu thuyền nửa cuối thế k 19 đã àm theo kỹ thuật này của Lambot như Gabe ini và Boon Ý đã chế tạo loại thuyền buồm nổi tiếng

t n à Zeemeeuw vào năm 1887 Trong giai đoạn phát triển của vật liệu này, người Hà Lan đã chế tạo những thuyền lớn trọng tải 50~60 tấn bằng vật liệu XMLT để chuyên chở tro và vật liệu phế thải trên sông ngòi

Vào đầu những năm 1940, một kiến trúc sư – kỹ sư người Ý là Pier Luigi Nervi, tr n ý tưởng của Lambot thấy rằng gia cường những lớp ưới thép cho vữa sẽ tạo ra một loại vật liệu có các t nh năng cơ học như một loại vật liệu đồng chất có t nh năng cơ học cao chống lại được sự va đập Ông đã thiết lập được các đặc trưng cơ học ban đầu cho vật liệu XMLT qua một loạt các thử nghiệm

và đã thiết kế, xây dựng một vài dạng mái che cho đến nay vẫn mang tính thẩm

mĩ cao Vật liệu XMLT đã được hải quân Hoàng gia Ý chấp thuận dùng để chế tạo 1 số tàu thuỷ trong chiến tranh thế giới lần thứ 2

Trước chiến tranh thế giới thứ 2, Trung Quốc cũng đã chế tạo thuyền XMLT Ở Thượng Hải, người ta đã chế tạo nhiều thuyền XMLT có k ch thước khoảng 12~15m, trọng tải từ 6~10 tấn để vận chuyển hàng hoá và đẩy bằng sức người

1.2 Ứng ụng ết cấu xi măng lưới thép

- Trong giao thông : Kết cấu XMLT được sử dụng làm tàu thuyền khá rộng rãi

Năm 1915 một thuyền XMLT dài 16m tên là Awahriee do một người Mỹ làm chủ, được chế tạo tại NewZea and đã đi vòng quanh thế giới mà không gặp phải

sự cố nào dù va chạm rất nhiều với các vật khác như băng trôi, gặp gió mạnh, sóng lớn Tương tự như vậy, một số thuyền khác đã được chế tạo Năm 1921, một tàu đánh cá k o ưới và đã được công ty Xây dựng XMLT biển ở Hồng Kông chế tạo dài 26m, ượng choán nước 250 tấn, là một trong những chiếc thuyền đánh cá XMLT lớn nhất lúc bấy giờ

Ngày nay thuyền XMLT dùng để đi du ịch được chế tạo nhiều ở Mỹ, Oxtraylia, New Zealand và bán với giá khá cao từ 215.000 – 250.000 USD) Một dạng khác của kết cấu XMLT dùng trong giao thông là làm cầu và cầu vượt cho người đi bộ, do có trọng ượng nhẹ và hình thức kết cấu đẹp

- Trong xây dựng: Ông Nervi cũng à người tiên phong trong việc dùng kết cấu

XMLT trong kiến trúc, xây dựng Một nhà kho bằng XMLT cũng được ông xây dựng năm 1947, một bể bơi kết cấu XMLT đã được xây dựng tại học viện Hải Quân Ý Nhà triển lãm Turin có nhịp 91m, các công trình này dùng kết hợp hệ

khung sườn bằng bê tông cốt thép, lớp vỏ bao che bằng XMLT Vào những năm

1960 các nước Anh, New-Di an, Oxtray ia đã sử dụng rộng rãi kết cấu XMLT Năm 1958 tại Li n Xô cũ đã x y dựng hệ mái vòm cho trung tâm mua bán tại phố Reshetnikov Leningrat bằng loại kết cấu XMLT Sau đó nhiều công trình như nhà triển lãm, trung tâm mua bán, nhà hàng, kho chứa … Khoảng 10 triệu mét vuông mái các loại đã được xây dựng trên khắp Li n Xô cũ , có nhiều mái

có nhịp ưu thông đến 24~30m, chiều dày ch khoảng 2cm Cũng tại Leningrat, mái vòm bằng XMLT của ga tàu điện ngầm k ch thước 43,5x160m đã được xây dựng vào năm 1978 Vào thời gian này ở Mỹ một kết cấu bằng XMLT kích thước lớn 75m x 23m, là kết cấu vỏ XMLT lớn nhất úc đó, đã được công ty sợi

th p vùng T y Saeranmento x y dựng

Tại nhiều nơi tr n thế giới, các khu ngh ngơi giải tr resort cũng được xây bằng kết cấu XMLT (Hawaii-USA, New Zea and, Canada…

- Trong thủy lợi vật liệu xi măng ưới th p được áp dụng rộng rãi như ống dẫn

nước bằng xi măng ưới thép có khả năng chịu lực lớn thay thế ống thép dùng trong các công trình trạm bơm, ống có đường kính 25~30cm,chiều dày 2,5~3cm

có thể lắp đặt cho các đoạn ống hút và ống xả của trạm bơm thay thế các ống thép

Các loại cửa van trong các công trình tưới hoặc ti u nước được chế tạo bằng xi măng ưới thép cho phép tiết kiệm được khối ượng thép rất lớn, giảm được chi phí bảo dưỡng chống r cho các phần ngập sâu trong nước, nhất là môi trường ven biển thường bị nước mặn ăn mòn…

Trong hệ thống tưới ti u nước cho nông nghiệp, kênh, cầu máng bằng xi măng ưới th p đăt tr n mặt đất có kết cấu nhẹ, khả năng chống thấm cao, giảm ượng nước bị mất mát từ 50~70% so với k nh đất, nhất là ở vùng có độ thấm lớn, nó cho ph p tăng được vận tốc dòng chảy trong k nh để vận chuyển được

ưu ượng lớn hơn do đó hệ thống này ngày càng phát triển

Hình 1.2 Hệ thống k nh XMLT T nh An Giang Cầu máng xi măng ưới th p thường được nối tiếp với hệ thống k nh để chuyển nước qua khu vực thấp, trũng, vượt những khoảng cách lớn qua kênh, rạch được sử dụng ngày càng rộng rãi thay thế cho cầu máng bê tông cốt thép cho thấy rõ những khả năng ưu việt của chúng như kết cấu nhẹ và độ bền cao, hình dáng đẹp, tiết kiệm vật liệu hơn so với các loại cầu máng khác như th p hoặc bê tông cốt th p, đồng thời lại có thể chế tạo hàng loạt bằng công nghệ rung đúc cơ giới hóa, cho n n cùng với hệ thống k nh xi măng ưới thép chúng

đã và đang tạo ra một bước mới trong việc công nghiệp hóa và hi n đại hóa hệ thống cung cấp nước tưới trong ngành nông nghiệp, là cở sở hạ tầng cần thiết để tiến hành tự động hóa tưới tiêu nông nghiệp

1.3 Cầu máng XMLT

1.3.1 Khái quát chung

Cầu máng là một công trình dẫn nước được dùng khi các tuyến kênh gặp các trở ngại cần phải vượt qua như: sông, suối, thung ũng, k nh rạch, vùng đất trũng hoặc thay thế một đoạn k nh qua vùng đất thấm nước nhiều…Cầu máng

thường làm bằng bêtông cốt thép (BTCT) hoặc xi măng ưới thép (XMLT)

Cầu máng gồm các bộ phận sau đ y: đoạn cửa vào, đoạn cửa ra, thân máng, kết cấu trụ đỡ hình 1.3 Việc bố trí và thiết kế đoạn cửa vào, cửa ra, tính toán thuỷ lực trong máng, tính toán dòng chảy tại cửa vào cửa ra, các biện pháp

chống thấm, chống xói lở, tránh lắng đọng bùn cát…trong uận án này sẽ không

đề cập đến Chủ yếu đi s u vào phần tính kết cấu th n máng để sử dụng công nghệ rung chế tạo thân máng bằng vật liệu xi măng ưới th p, đảm bảo kết cấu

th n máng đạt yêu cầu về độ bền cơ học, độ chống thấm theo các yêu cầu về sử dụng của kết cấu cầu máng

Hình 1.3 Cầu máng xi măng ưới thép

1.Đoạn cửa vào 2 Mố biên kiểu trọng lực 3.Thân máng 4.Trụ giữa kiểu khung kép 5 Trụ giữa kiểu khung đơn 6.Móng trụ đỡ 7 Khe co dãn

8 Đoạn cửa ra 9 Kênh 10 Mặt đất tự nhiên

Kết cấu th n máng được chia thành hai loại: kiểu dầm và kiểu vòm, thông thường dùng kiểu dầm Thân máng kiểu dầm có đặc điểm chịu lực như một dầm

có gối đỡ là các trụ giữa và mố biên Tuỳ theo vị trí các gối tựa và vị trí các khớp nối, thân máng kiểu dầm được phân thành hai loại: loại dầm đơn, oại dầm một nhịp có mút thừa Thông thường từ trước đến nay chúng ta chủ yếu vẫn sử dụng kết cấu cầu máng bê tông cốt thép Nhịp cầu máng kiểu dầm đơn thường không vượt quá 10m, nhịp cầu máng kiểu mút thừa (khoảng cách giữa hai gối

đỡ thường không quá 25m Những năm gần đ y oại kết cấu bằng xi măng ưới

th p được sử dụng nhiều do khẳng định được những ưu việt của kênh vỏ mỏng

xi măng ưới th p, do đó cũng cần phải nghiên cứu thêm các hình thức kết cấu

th n máng để có thể tăng chiều dài nhịp máng, giảm trọng ượng của bản thân, tiết kiệm vật liệu…

1.3.2 Dạng mặt cắt thân máng

Thân máng XMLT có hình dạng vỏ trụ mỏng, mặt cắt ngang của thân máng có thể là hình chữ nhật, hình thang, hình chữ U, hình parapol (hình 1.4) Chọn hình thức mặt cắt thân máng phải dựa vào tính toán thuỷ lực, vật liệu làm

9

1

2

3 5

6

10

8 7

4

cầu máng, phương pháp thi công, hình thức kết cấu trụ đỡ, đoạn nối tiếp cửa vào, cửa ra Hình thức mặt cắt ngang th n máng thường dùng là hình chữ nhật,

hình thang và hình chữ U

(a) (b) (c) (d) (e)

Hình 1.4 Các dạng mặt cắt ngang thân máng Cầu máng mặt cắt chữ nhật và hình thang và chữ U có cấu tạo đơn giản,

dễ thi công, trọng ượng của cầu máng này khá nhẹ, nên rất thuận tiện cho việc đúc sẵn và lắp ghép Các mặt cắt khác ít dùng vì tính toán và thi công khá phức tạp Cầu máng vỏ trụ mỏng có khả năng chịu lực theo phương dọc lớn hơn phương ngang nhiều Khi trên kênh không có yêu cầu về vận tải thuỷ, để tăng

th m độ cứng của phương ngang, tăng độ ổn định tổng thể và cục bộ của máng, người ta thường bố trí các thanh giằng ngang và các sườn gia cường dọc (tai máng) Nếu có yêu cầu về vận tải thuỷ không thể bố trí các thanh giằng ngang thì cần bố tr các sườn gia cường ngang hoặc tăng th m chiều dày thành máng, hình 1.5

Hình 1.5 Đoạn kênh máng

a) Kết cấu thân máng mặt cắt chữ nhật

- Máng hình chữ nhật không có thanh giằng (hình 1.6a) – Thành bên sẽ

chịu lực nước như một bản công son, loại máng này có kết cấu đơn giản, dễ thi

công, nên vẫn được dùng trong các cầu máng loại vừa và nhỏ có yêu cầu cho thuyền bè qua lại

- Máng chữ nhật c sườn ngang không có thanh giằng (hình 1.6b) – Sườn

ngang đai ngang được bố trí ở hai bên thành và đáy máng tạo thành một khung ngang chịu áp lực nước Do đó có thể giảm được chiều dày của vách bên và bản đáy, giảm được khối ượng máng Loại này có nhược điểm là khó thi công

- Máng chữ nhật có thanh giằng (hình 1.6c) – Khi máng không có yêu cầu

thuyền bè qua lại, thường bố trí thêm các thanh giằng ngang tr n đ nh máng để tăng khả năng chịu lực theo phương ngang, khoảng cách giữa các giằng ngang

từ 2 3m, thanh giằng tăng cường được khả năng chịu lực của thành bên và bản đáy, àm giảm bớt ượng cốt thép, thi công loại cầu máng này cũng tương đối dễ dàng

- Máng chữ nhật kiểu hình hộp (hình 1.6d) - Cầu máng hình hộp có khả

năng chịu lực theo phương ngang và theo phương dọc đều tốt, đồng thời có thể lợi dụng bản mặt trên làm cầu cho người qua lại Loại cầu máng này có nhược điểm là khó thi công, tốn cốt pha, khó xử lý khe co giãn

a) b) c) d)

Hình 1.6 Máng có mặt cắt chữ nhật

- ch thư c mặt cắt ngang của máng chữ nhật

K ch thước mặt cắt ngang của cầu máng hình chữ nhật có thể chọn như sau:

h- Chiều cao thành máng: h = H + H (m)

H- Chiều sâu cột nước tính toán

H = 0,2  0,5m à độ cao vượt an toàn (phụ thuộc vào cấp công trình)

B- Chiều rộng đáy máng, thường chọn B = (1,5  1,7 H để vừa đảm bảo điều kiện về vận chuyển nước, vừa đảm bảo tăng khả năng chịu lực theo phương dọc máng

- K ch thước mặt cắt thanh giằng có chiều cao hg = 15  20)cm,

- Bề rộng bg = (12  18) cm,

- Khoảng cách giữa các thanh giằng Lg = (1,0  3,0)m

- K ch thước mặt cắt sườn ngang có chiều cao hs = (1530)cm,

- Bề rộng bs = (12  20 cm, sườn ngang tại gối có k ch thước lớn hơn

b) Kết cấu thân máng mặt cắt hình thang, chữ U

Hình dạng máng chữ U thường dùng có đáy à nửa hình tròn, có hai thành

bên thẳng đứng (hình 1.7) Máng chữ U có ưu điểm là trạng thái thủy lực tốt, độ

cứng theo phương dọc lớn, thi công dễ.Th n máng cũng thường được gia cường bằng các sườn dọc (tai máng), các sườn ngang đai máng và các thanh giằng ngang

Hình 1.7 Mặt cắt ngang máng

a: Mặt cắt hình thang; b: Mặt cắt nửa tròn chữ U)

- ch thư c mặt cắt ngang thân máng hình thang, chữ U

Chọn sơ bộ k ch thước tiết diện ngang thân máng XMLT hình chữ U có thể tham khảo các số liệu dưới đ y:

- Bề dày của thành máng t = (1/15  1/25)R0, thường chọn t = 3  6 cm đối với cầu máng xi măng ưới thép

- Chiều cao đoạn thẳng đứng của thành máng f = (0,1  0,3)D0

- K ch thước tai máng thường chọn như sau:

to = (1,0  1,5)t; do = (0,5  1,5)Ro; So = (0,3  0,4)Ro

1.3.3 Phân tích về cường độ cầu máng XMLT

a) Phân tích nội lực thân máng theo lý thuyết dầm

Th n máng à một kết cấu vỏ mỏng, ại thường được gia cường bằng các sườn dọc, sườn ngang và thanh giằng hình 1.5 , do đó việc ph n t ch nội ực

th n máng theo ý thuyết vỏ mỏng không gian để tìm ời giải ch nh xác thì hầu như không thể thực hiện được, mà ch có thể tìm được ời giải bằng các phương pháp gần đúng, “ ý thuyết dầm” à một trong các phương pháp đó [4, 5]

Phương pháp ph n t ch nội ực theo ý thuyết dầm rất th ch hợp với cầu máng có tỷ số ớn giữa chiều dài nhịp và bề rộng th n máng ớn Nội dung của

ý thuyết t nh toán này à theo phương dọc th n máng được t nh như bài toán dầm, còn theo phương ngang th n máng được t nh như một khung phẳng có bề rộng bằng một đơn vị được cắt ra từ th n máng, chịu tất cả các tải trọng tác dụng

n đoạn máng đó và được c n bằng nhờ các ực tương h của hai phần máng hai bên

Từ ph n t ch nội ực theo 2 phương, cường độ và biến dạng của máng được xác định với các mặt cắt khác nhau như mặt cắt hình thang và chữ U

b) Phân tích nội lực theo lý thuyết vỏ

Tùy theo tỷ số giữa chiều dày t và bán kính cong R nhỏ nhất của mặt trung bình

mà người ta chia vỏ thành hai loại: vỏ mỏng khi t/R rất bé, ngược lại là vỏ dày

Khi tỷ số t/R không lớn hơn 0,03 thì kết quả tính toán theo lý thuyết vỏ mỏng

không dẫn tới sai số quá lớn không cho phép trong thiết kế công trình Các công trình thực tế thường có tỷ số t/R vào khoảng từ 0,001 đến 0,02, do đó ý thuyết

vỏ mỏng được áp dụng rất rộng rãi

Khi giải các bài toán theo ý thuyết vỏ mỏng, cần dựa vào các phương trình

cơ bản như: phương trình hình học, phương trình c n bằng và các điều kiện bi n của bài toán [4, 25]

Phương pháp phần tử hữu hạn PTHH) [28, 29, 58] được dùng rất phổ biến để giải bài toán vỏ mỏng

Nhiều phần mềm t nh toán khác nhau đã được sử dụng, trong đó phần mềm SAP2000 [54] đã được các tác giả [4, 44] sử dụng để phân tích nội lực và biến dạng máng hình thang Theo phần mềm này các số liệu được đưa vào theo yêu cầu (khai báo) hình 1.8

Hình 1.8 Mô phỏng tính toán bằng phần mềm Sap 2000

và tìm được các kết quả về biến dạng, ứng suất của máng thể hiện ở hình 1.9

Hình 1.9 Biểu đồ ứng suất

Khi ph n t ch t nh toán cường độ của cầu máng, một trong các đặc trưng vật liệu quan trọng của cầu máng khi đưa vào t nh toán à mô đun đàn hồi E của

bê tông, trong kết cấu XMLT mô đun đàn hồi này được xác định thông qua thí nghiệm nén hoặc uốn các mẫu vữa [37, 39, 45], để khi hình thành kết cấu bê tông hoặc XMLT thì đ y ch nh à đầu vào để t nh toán cường độ độ bền nén, uốn… Việc chế tạo các mẫu vữa theo các phương pháp khác nhau như đầm thủ công, đầm trên các loại máy rung, sau khi bảo dưỡng theo đúng quy trình tùy theo 7 ngày tuổi hoặc 28 ngày tuổi sẽ được thử cường độ tương ứng theo quy trình thử nghiệm [32, 33, 34] để xác định “mác” b tông, àm cơ sở cho các bài toán ph n t ch t nh toán cường độ, biến dạng của kết cấu Các thông số cơ bản của máy rung chế tạo mẫu như bi n độ, tần số, thời gian rung ảnh hưởng quyết định đến mô đun đàn hồi này [3, 43]

1.3.4 Phân tích về độ chống thấm của cầu máng XMLT

Trong kết cấu bêtông XMLT, tuổi thọ của kết cấu là một tiêu chuẩn quan trọng để kéo dài thời gian sử dụng, giữ được cường độ yêu cầu và u dài Như vậy kết cấu phải có khả năng chịu được quá trình phong hóa diễn ra ở phần tiếp xúc với bên ngoài gọi à độ bền lâu, hay tuổi thọ

Ngoài nhiều nguyên nhân gây ra giảm tuổi thọ: như quá trình ý, hóa, cơ học như mài mòn, ở, xâm thực, phản ứng alkali-silicat, alkali-cacbonate, hóa chất bên ngoài tấn công vào ion của cốt liệu: chrolas, sunfat cacbon dioxit khí

và chất thải thì một yếu tố tác dụng rất quan trọng của chất lỏng là xâm nhập hoặc thấm qua kết cấu mà mặt tiếp xúc ngoài sẽ ảnh hưởng rất nhiều tới sự thấm này

Do đặc tính của b tông thay đổi theo thời gian, tính thấm àm tăng khả năng vận chuyển những chất lỏng và chất kh khác nhau đi qua như: nước, clorit, sunfat làm ảnh hưởng tới ưới và cốt thép bên trong Có mối liên hệ chặt chẽ giữa tỷ lệ nước/ximăng N/X và t nh thấm [46, 55]

Dòng chảy trong l mao dẫn khi bão hòa của vật liệu xi măng ưới thép hoặc bê tông tuân theo qui luật Darcy của chảy tầng qua môi trường xốp [41]:

h g K A dt

' 1

1 



Trong đó:

dq/dt : tốc độ dòng thấm (m3/s)

A1: diện tích mặt cắt ngang của mẫu

h: độ tổn hao cột nước qua mẫu (m)

L: chiều dày của mẫu (m)

: độ nhớt động lực của chất lỏng (Ns/m2

)

: mật độ của dòng chảy (Kg/m3)

g : gia tốc trọng trường, (m/s2) K’ : hệ số thể hiện độ thấm, khi chất lỏng à nước ta có:

L

h K A dt

1

1

Y u cầu kỹ thuật của b tông thủy công quy định về độ chống thấm nước [31, 35] xác định bằng áp ực thấm tối đa của mẫu Độ chống thấm ở tuổi 28 ngày, xác định bằng mác chống thấm như bảng 1.1

Bảng 1.1 Quy định mác chống thấm của bê tông thủy công

Mác chống thấm Áp lực chịu tối đa daN/cm2

1.4 Một số công nghệ chế tạo kênh, cầu máng XMLT

1.4.2 Chế tạo bằng vữa tự lèn

Vật liệu cấu thành của bê tông tự lèn hoàn toàn giống như b tông truyền thống, tuy nhiên h n hợp bê tông tự lèn có tỷ lệ bột mịn cao hơn, hàm ượng cốt liệu lớn thấp hơn Vì áp dụng cho kết cấu vỏ mỏng xi măng ưới thép [1] có chiều dày từ 26 mm đến 40 mm, k ch thước giữa các mắt ưới khoảng 10 mm

n n đường kính lớn nhất của cốt liệu lớn thường là Dmax ≤ 5 mm Đặc biệt bê tông tự lèn có thời gian bảo dưỡng u, u khô hơn b tông thường nên thời gian

dỡ ván khuôn u hơn, số ượng ván khuôn nhiều hơn, chi ph tăng n Chất ượng của sản phẩm bê tông tự n đông cứng phụ thuộc vào chất ượng của từng nguyên vật liệu cấu thành của h n hợp b tông tươi mà không có hiệu ứng lèn chặt do rung Ngoài ra luôn cần có phụ gia hóa dẻo n n giá thành cao hơn b tông thường Có thể kết hợp với rung nhanh, giảm ượng nước, tăng độ lèn chặt, giảm thời gian dỡ ván khuôn, sẽ có lợi hơn dùng b tông hoàn toàn tự đầm

1.4.3 Chế tạo bằng phương pháp phun

Công nghệ phun vữa xi măng được áp dụng nhiều trong gia cố tuy nen, sửa chữa các công trình Những năm gần đ y được áp dụng thi công k nh, cầu máng XMLT Khác với công nghệ trát tay, công nghệ phun đòi hỏi có thiết bị đặc chủng à thiết bị phun áp ực H n hợp xi măng cát được àm ẩm với độ ẩm th ch hợp và trộn bằng máy và nạp vào buồng công tác của thiết bị phun áp ực H n hợp vữa được phun n mặt ván khuôn với áp ực cao theo độ dày y u cầu của

kết cấu Sau 10 giờ kể từ úc kết thúc phun thì có thể tháo dỡ ván khuôn Sau 10 ngày cường độ vữa đạt được 75 80% cường độ cuối

Công nghệ phun có ưu điểm à có thể sản xuất các cấu kiện có hình dạng bất

kỳ, k ch thước độ dày khác nhau Tùy theo điều kiện mặt bằng, điều kiện thi công có thể sản xuất theo phương pháp đúc sẵn hoặc tại ch Tuy nhi n phương pháp phun cũng còn một số tồn tại Đó à độ chặt không đồng đều, sự tách các hạt vật iệu àm cho bề mặt khó nhẵn Đồng thời khi phun vữa với áp lực cao, khung ưới th p có xu hướng bị đẩy ra phía ngoài sát thành ván khuôn, vị tr đặt thép sai lệch

Do đó phương pháp phun thường cho cường độ chịu n n, độ chống thấm

của kết cấu XMLT thấp hơn phương pháp rung và bề mặt ngoài của cấu kiện không được láng mịn

1.4.4 Chế tạo bằng phương pháp rung

Phương pháp này được dùng rộng rãi vì nó có ịch sử sử dụng từ kết cấu b tông cốt iệu ớn Có thể sử dụng nhiều phương thức rung: rung toàn khối, rung mặt hoặc rung ván khuôn

Rung toàn khối được dùng à chủ yếu [4, 5, 36, 38] với nguy n ý cấu tạo chung à vật rung gắn với hệ khung cứng, đặt tr n hệ ò xo và được k ch rung bằng động cơ Hiệu ứng đầm chặt phụ thuộc các thông số rung như bi n độ, gia tốc, độ cứng o xo…n n có thể điều ch nh các thông số để có được hiệu quả đầm chặt cao nhất

Rung mặt có thể dùng chế tạo các kết cấu mỏng và phẳng do ảnh hưởng của dao động ch được truyền đến chiều sâu nhất định khoảng 200 mm, thường được dùng để đầm chặt các mặt đường bê tông [16] Các máy rung được chế tạo dựa vào phương truyền rung và h n hợp bê tông [14, 22] và tùy từng loại công trình, kết cấu để sử dụng cho thích hợp, các máy rung bề mặt thường dùng các cơ cấu rung công dụng chung như đầm bàn, đầm thước, máy rung ch n đá…

Các máy rung đặt trong như chày rung cán cứng, cán mềm và khối chày rung… được thả ngập vào h n hợp để truyền dao động ra xung quanh, thích

hợp với h n hợp b tông ưu động Các máy rung thể t ch như rung cốt pha, rung

vỏ bun-ke, bàn rung dao động được truyền qua khuôn tới toàn thể tích của h n hợp, được dùng phổ biến để chế tạo các kết cấu bê tông dạng dầm, cột, tấm Tương tác giữa máy và h n hợp ảnh hưởng lớn đến làm chặt h n hợp cũng đã được nghiên cứu [15]

Để tăng hiệu quả đầm chặt, có thể kết hợp các phương pháp tr n như va rung, ép rung [22]

1.5 Một số t nh chất lưu iến ảnh hưởng độ rung l n chặt ê t ng

Các t nh chất của ưu biến hay t nh công tác cũng như cường độ của h n hợp b tông bị ảnh hưởng bởi thành phần h n hợp của nó và iều ượng của từng thành phần trong h n hợp, các t nh chất của các thành phần đặc biệt à hình dạng cốt iệu, k ch cỡ ớn nhất, cấp phối, độ xốp, cấu trúc mặt ngoài của cốt iệu , và ượng tham gia của vữa nước và xi măng , t ệ pha trộn, thời gian để chờ sau khi pha trộn Trong phạm vi nghi n cứu này ch hạn chế bàn luận một số

Một h n hợp b tông với thành phần cốt iệu hạt thô thiếu vữa để ấp đầy

ch r ng sẽ sinh ra mất t nh d nh và độ inh động Loại h n hợp đó gọi à “thô”

và tốn nhiều công sức để đổ và đầm Cường độ và độ thấm của oại vữa thô này, ngay cả khi rất đặc cũng k m hơn nhiều so với oại vữa tỷ ệ thông thường Vữa khô cũng có thể do ượng kh thấp, việc tăng ượng kh có thể àm giảm t nh hiệu quả của ượng hạt mịn Mặt khác ượng vượt quá của hạt mịn hoặc ượng

kh trong h n hợp b tông quá nhiều àm tăng t nh d nh của h n hợp, g y khó khăn cho sự di chuyển Ảnh hưởng ớn nhất của ượng hạt mịn nhiều quá trong vữa à àm tăng diện t ch bề mặt của hạt trong h n hợp do đó cần phải tăng ượng nước để bao phủ hết bề mặt hạt Điều này dẫn đến àm tăng độ co ngót khi

khô và t nh nứt tăng Trừ khi ượng xi măng được tăng n để giữ t ệ nước- xi măng, còn nếu không thì oại vữa có ượng hạt mịn ớn sẽ bị giảm về cường độ Thực hành trong thực tế à khi điều ch nh t ệ trong h n hợp b tông có ượng hạt mịn nhiều cần tăng cường ượng xi măng hơn bình thường để h n hợp b tông đạt ượng hạt mịn tối ưu Lượng xi măng cũng ảnh hưởng đến t nh công tác của h n hợp b tông H n hợp có ượng xi măng cao nói chung d nh hơn và k m inh động, đặc biệt à ở mức thông thường của độ sụt của b tông đổ tại ch Hơn nữa t ệ nước- xi măng thấp đi và ượng vật iệu hydrat cao n àm giảm

t nh công tác của của h n hợp ngay sau khi trộn mẻ đầu

Các nghi n cứu của Bazenov [64] cũng cho thấy do tăng đáng kể bề mặt riêng của cốt liệu hạt nhỏ n n hàm ượng nước cùng xi măng tăng 10-15% so với cốt liệu to dẫn đến độ co ngót tăng Với cốt liệu nhỏ chủ yếu à cát, độ r ng

vĩ mô ớn hơn h n hợp cát-đá Mặt khác hàm ượng khí chứa trong h n hợp bê tông phụ thuộc vào một số yếu tố như : chất ượng vật liệu ban đầu, thành phần

cấp phối, công nghệ trộn và phương pháp đầm lèn, cũng theo [64] thể tích không

khí cuốn theo rất khó xác định bằng tính toán Vì vậy để xác định thành phần b tông có thể bắt đầu từ việc xác định ượng xi măng- nước theo công thức :

R mác xi măng; R bt mác bê tông

Sau đó tr n cơ sở các mẫu thí nghiệm kiểm tra xác định độ r ng thực tế của h n hợp bê tông và hệ số đầm chặt bằng tỷ số giữa tỷ trọng thực tế và tỷ trọng tính toán của vật liệu, khi xác định được thể tích không khí cuốn theo (KC sẽ xác định được ch nh xác cường độ nén bê tông:

Hình 1.10 Quan hệ cường độ bê tông chịu uốn và kéo

và àm giảm ma sát Đáng chú ý hơn nữa à ượng nước tăng th m đã àm tăng t

ệ nước - xi măng và có ảnh hưởng không mong muốn à àm giảm ực d nh trong h n hợp và àm tăng khả năng bị ph n tầng và r nước quá nhiều Cũng à bình thường khi sử dụng nhiều nước hơn so với mức cần thiết, ý à các đặc t nh của ưu biến đã được cải thiện; thực ra à sản phẩm như vậy sinh ra kết quả ngược ại Cũng như à độ sụt hay ượng nước quá thấp sinh ra các đặc t nh không mong muốn của h n hợp b tông do mất t nh inh động và khả năng chịu

n n và có thể sinh ra sự chậm trễ không cần thiết và khó khăn khi đổ và đầm chặt Sự tăng của 1% không kh thì tương đương với tăng 1% của cốt iệu mịn hoặc tăng ượng nước đơn vị đến 3% Loại vữa quá khô cũng có thể sinh ra sự mất ực d nh và ph n tầng dạng “khô”

1.5.3 ộ c ng v sự c ng h a

Bị mất khả năng àm việc nhanh có thể i n quan tới nhiệt độ b tông đạt mức đ nh Việc sử dụng sớm xi măng cường độ cao, sự thiếu hụt xi măng trong thạch cao, và việc sử dụng h n hợp phụ gia, tất cả những cái đó àm tăng tốc độ đông kết Khô, xốp, hoặc dễ vỡ vụn sẽ nhanh chóng àm giảm khả năng àm việc

do việc hấp thụ nước của h n hợp hoặc do sự tăng diện t ch bề mặt bị ướt Sử dụng xi măng sai có thể bị cứng sớm và àm mất khả năng àm việc của b tông trừ khi thời gian trộn có thể nới rộng để giữ được độ dẻo của nó Sự tương tác giữa các dịch thể hóa chất khác nhau hoặc sự có mặt của các hợp chất hóa học

có thể gia tăng tốc độ đông cứng hoặc g y ra các phản ứng khác àm giảm khả năng àm việc Trong các trường hợp ở nơi xảy ra b tông mất khả năng àm việc thì cơ bản phải vận chuyển, đổ và đầm càng nhanh càng tốt Việc th m nước àm thay đổi t nh đồng nhất nói chung sẽ àm giảm chất ượng của sản phẩm cuối cùng

1.5.4 nh dạng cốt li u v cách cấu tạo của ch ng

Hình dạng của cốt iệu và k ch thước phần tử của chúng nói chung à các yếu

tố đáng chú ý ảnh hưởng đến t nh ưu biến của b tông Ti u chuẩn b tông cũng quan tâm tới yếu tố này cho việc điều ch nh phù hợp với mẫu thử nghiệm Với

bê tông hạt mịn, t ệ phần trăm r ng cần ấp đầy vữa sẽ ớn hơn, đòi hỏi ượng nước cần nhiều hơn Loại hạt mịn góc cạnh àm tăng nội ma sát trong h n hợp và đòi hỏi nhiều nước hơn so với hạt cát tự nhi n trơn tròn để đạt được khả năng àm việc đề ra các nghi n cứu của Hughes; Kaplan; Lees; Murdock [36])

1.5.5 Cấp phối hạt

Cốt iệu b tông phải có cấp phối tốt để thu được khả năng àm việc tốt Việc thiếu các k ch thước đặc biệt của cốt iệu hoặc sự thay đổi ph n bố k ch thước có thể có hiệu quả r rệt với độ r ng và khả năng àm việc Nói chung những ảnh hưởng đó ớn hơn đối với cấp phối hạt mịn so với cấp phối hạt thô Khi cấp phối hạt mịn trở n n mịn hơn, ượng nước đòi hỏi sẽ tăng n và vữa sẽ trở n n d nh hơn Khi phần hạt mịn trở n n thô hơn, ực d nh giảm đi và h n hợp

trở n n thô hơn và có khuynh hướng tăng về từ biến Điều ch nh cấp phối hạt mịn rất cần thiết để đảm bảo khả năng àm việc như đã đề cập những thay đổi đã xảy ra ở tr n

Ngoài ra chất ượng b tông được cải thiện bằng cách tăng k ch thước ớn nhất của cốt iệu Một sự tăng như vậy sẽ àm giảm ượng hạt mịn cần thiết để giữ ượng hạt mịn đảm bảo khả năng àm việc, như vậy sẽ dẫn đến giảm diện

t ch bề mặt bị ướt và ượng xi măng cần thiết để giữ t ệ nước – xi măng không đổi

1.5.6 Ph gia

Sự có mặt của phụ gia hóa chất hoặc phụ gia khoáng sẽ ảnh hưởng đến các

t nh chất ưu biến của h n hợp b tông Một số phụ gia hóa học sẽ cải thiện khả năng àm việc và khả năng bơm với độ sụt đã có Gia tăng hoặc ức chế sẽ àm giảm hoặc tăng thời gian của khả năng àm việc của h n hợp đã t nh toán Phụ gia x m nhập kh àm tăng ực d nh và giảm xu hướng từ biến của h n hợp b tông Phụ gia khoáng chất như puzonan và đặc biệt à tro bay, có thể cải thiện khả năng àm việc và nói chung àm giảm sự r nước

Một số phụ gia giảm nước quy mô ớn có thể được sử dụng chặt chẽ để thu được ch ợi nhờ giảm t ệ nước - xi măng hoặc tạm thời àm tăng t nh đồng nhất của h n hợp b tông mà không sinh ra nhiều hiệu quả ngược khi phối hợp với vữa ướt Loại h n hợp b tông đặc biệt có phụ gia giảm nước phạm vi rộng nói chung giữ cho t nh ổn định kể cả với vữa có độ sụt cao

1.5.7 ết luận về ảnh hư ng của lưu biến đến rung lèn chặt b t ng

Những hiểu biết về các t nh chất ưu biến rất có ợi cho việc ựa chọn h n hợp b tông àm cho việc đầm chặt có hiệu quả hơn Các quá trình i n quan àm

r hơn về ưu biến của b tông tươi cũng đã thu được một số kết quả trong những năm gần đ y như các báo cáo đã công bố [36], nhưng về các kết quả để cung cấp cho ngành công nghiệp x y dựng để có thể dùng cách thử đơn giản ở phòng th nghiệm và hiện trường vẫn cần nghiên cứu làm rõ Trong phạm vi của