Nghiên cứu kết cấu và công nghệ chế tạo cầu máng xi măng lưới thép ứng suất trước nhịp lớn (tt)

Để có thể tận dụng hết khả năng chịu lực của cấu kiện XMLT, đồng thời đáp ứng được yêu cầu của thực tế ngày càng cao đối với cầu máng nhịp lớn… đòi hỏi phải đi sâu nghiên cứu hình thức k

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

PHẠM CAO TUYẾN

NGHIÊN CỨU KẾT CẤU VÀ CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO

CẦU MÁNG XI MĂNG LƯỚI THÉP

Công trình được hoàn thành tại Trường Đại học Thủy Lợi

Người hướng dẫn khoa học 1: PGS.TS Vũ Hoàng Hưng

Người hướng dẫn khoa học 2: PGS.TS Trần Mạnh Tuân

Phản biện 1: GS.TS Phạm Ngọc Khánh – Hội Thủy lợi Việt Nam

Phản biện 2: TS Lê Đình Thắng – Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam

Phản biện 3: GS.TS Vũ Thanh Te – Trường Đại học Thủy Lợi

Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án họp tại Trường Đại học Thủy Lợi vào lúc 8 giờ 30 phút ngày 28 tháng 09 năm 2017

Có thể tìm hiểu Luận án tại: - Thư viện Quốc Gia

- Thư viện Trường Đại học Thủy lợi Hà Nội

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Kết cấu xi măng lưới thép (XMLT) ra đời cách đây trên 150 năm nhưng đã bị lãng quên trong gần 100 năm sau đó do hạn chế về công nghệ chế tạo lưới thép Kết cấu XMLT bắt đầu được khôi phục lại vào những năm đầu của thập kỷ 40 của thế kỷ trước và được coi là một lĩnh vực nghiên cứu khoa học vật liệu mới Các tài liệu kỹ thuật XMLT bắt đầu xuất hiện và không ngừng gia tăng Tuy nhiên các nghiên cứu về XMLT của các nước đều ít ứng dụng vào lĩnh vực kênh máng, cầu máng XMLT trong công trình thủy lợi (CTTL)

Ở Việt Nam những nghiên cứu về lý thuyết và công nghệ chế tạo XMLT trong lĩnh vực thủy lợi phát triển mạnh vào những năm 1990 Bao gồm các đề tài nghiên cứu về tính toán thiết kế, công nghệ chế tạo kênh máng và CM-XMLT nhịp ngắn, nhịp lớn Tiếp đến là giáo trình, tài liệu tính toán XMLT cũng được biên soạn Các tiêu chuẩn, quy trình về hướng dẫn tính toán thiết kế Cầu máng

vỏ mỏng XMLT cũng được ban hành lần lượt các năm 2006 và 2012

Tuy nhiên đến nay việc tính toán thiết kế và thi công CM-XMLT tại Việt Nam vẫn còn nhiều hạn chế, CM-XMLT vẫn chỉ được sử dụng ở loại nhịp ngắn với chiều dài nhịp không vượt quá 8m, thông dụng vẫn là loại nhịp có chiều dài 6m, đồng thời đường kính máng XMLT (tiết diện chữ U) không vượt quá 1,2m nhưng phổ biến cũng chỉ ở giới hạn đường kính từ (0,6÷1,0)m

Để có thể tận dụng hết khả năng chịu lực của cấu kiện XMLT, đồng thời đáp ứng được yêu cầu của thực tế ngày càng cao đối với cầu máng nhịp lớn… đòi hỏi phải đi sâu nghiên cứu hình thức kết cấu của CM-XMLT nhịp lớn Việc lựa

chọn đề tài Luận án “Nghiên cứu kết cấu và công nghệ chế tạo cầu máng xi

măng lưới thép ứng suất trước nhịp lớn” có cả ý nghĩa khoa học và thực tiễn,

nếu thành công sẽ đem lại hiệu quả kinh tế cao trong thiết kế và thi công cầu máng nhịp lớn trong các công trình dẫn nước

2 Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu trạng thái ứng suất và biến dạng cầu máng xi măng lưới thép ứng suất trước (CM-XMLT-ƯST) nhịp lớn và đề xuất công nghệ chế tạo CM-XMLT phù hợp

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của Luận án là kết cấu và công nghệ chế tạo XMLT-ƯST nhịp lớn và phạm vi nghiên cứu tập trung cho thân máng mặt cắt chữ U

CM-4 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu

Luận án tiếp cận cả lý thuyết và thực nghiệm hiện trường trong đó sử dụng các phương pháp nghiên cứu phổ biến ở trong nước và trên thế giới như:

- Phương pháp tổng hợp, phân tích và kế thừa những kết quả nghiên cứu đã có

- Phương pháp lý thuyết kết hợp thực nghiệm trên máy tính

- Phương pháp thực nghiệm tại hiện trường

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

ở đáy máng theo phương dọc tính theo lý thuyết dầm và lý thuyết vỏ

Xác định được lượng tổn hao ƯST từ thực nghiệm

5.2 Ý nghĩa thực tiễn

Các kết quả nghiên cứu của luận án có thể áp dụng trong thiết kế và chế tạo cầu máng thi công thủ công cho các công trình dẫn nước ở Việt Nam

6 Cấu trúc của Luận án

Luận án ngoài phần Mở đầu và Kết kuận, 38 tài liệu tham khảo, 06 tài liệu tác giả đã công bố và 04 Phụ lục, nội dung chính của Luận án được trình bày trong

04 Chương bao gồm 120 trang, 72 hình vẽ và 40 bảng biểu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CM-XMLT-ƯST NHỊP LỚN

1.1 Tổng quan về CM-XMLT

1.1.1 Khái quát chung

Hình 1.1 Sơ đồ kết cấu cầu máng

1 Cửa vào; 2 Mố biên trọng lực; 3 Thân máng; 4 Trụ đỡ khung kép; 5 Trụ đỡ khung đơn; 6 Móng trụ đỡ; 7 Khe co giãn; 8 Cửa ra; 9 Kênh; 10 Mặt đất tự nhiên

CM-XMLT gồm các bộ phận chính: cửa vào, cửa ra, thân máng, trụ đỡ (Hình

1.1) Việc bố trí và thiết kế 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 luận án này sẽ không đề cập đến Luận án chủ yếu đi sâu vào các phần nghiên cứu kết cấu thân máng XMLT

1.1.2 Các hình dạng kết cấu CM-XMLT

1.1.2.1 Các hình dạng kết cấu 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 parabol… Chọn hình thức mặt cắt thân máng phải dựa vào tính toán thủy lực, vật liệu làm cầu máng, phương pháp thi công, hình thức kết cấu trụ đỡ, đoạn nối tiếp cửa vào, cửa ra Hình thức mặt cắt thân máng thường dùng là hình chữ nhật, hình thang và hình chữ U Luận án này đi sâu nghiên cứu cho thân máng XMLT có dạng chữ U

và các thanh giằng ngang (hình 1.4a)

Tổ hợp tải trọng: Phân tích nội lực và tính toán cốt thép thân máng XMLT được tiến hành với các tổ hợp tải trọng cơ bản (trọng lượng bản thân máng + tải trọng người qua lại + trọng lượng nước ứng với độ sâu mực nước thiết kế) và kiểm tra với tổ hợp tải trọng đặc biệt (trọng lượng bản thân máng + tải trọng

người qua lại + trọng lượng nước ứng với độ sâu mực nước kiểm tra + tải trọng gió)

1.1.3.2 Phân tích nội lực kết cấu thân máng XMLT

Thân máng là một kết cấu vỏ mỏng không gian, thường được gia cường bằng các sườn dọc, sườn ngang và thanh giằng, do đó việc phân tích nội lực thân máng trên cơ sở các phương trình vi phân cơ bản của lý thuyết vỏ mỏng không gian để tìm lời giải chính xác thì gần như không thể thực hiện được, mà chỉ có thể dùng các phương pháp số để tìm lời giải gần đúng, như phương pháp sai phân hữu hạn, phương pháp PTHH

Đối với các cầu máng lớn và trung bình thì thiết kế đòi hỏi nội lực có độ chính xác cao, cần phân tích nội lực thân máng theo bài toán vỏ mỏng không gian Đối với cầu máng nhỏ có thể dùng phương pháp gần đúng để phân tích nội lực thân máng, một trong các phương pháp hiện nay thường dùng là thay bài toán tính vỏ mỏng không gian bằng hai bài toán phẳng riêng biệt theo phương dọc

và phương ngang máng, được gọi là phương pháp tính theo “lý thuyết dầm” Theo các tài liệu hướng dẫn tính toán CM-XMLT, phương pháp tính toán máng theo lý thuyết dầm cho lời giải tương đối chính xác khi tỷ số giữa chiều dài nhịp máng và bề rộng tiết diện máng L/Do ≥ 10, còn khi L/Do < 10 mà vẫn tính theo lý thuyết dầm thì cần tăng thêm thép chịu lực theo phương dọc máng

1.2 Tổng quan về CM-XMLT nhịp lớn

1.2.1 Khái quát về CM-XMLT nhịp lớn

Hiện nay CM-XMLT vẫn phổ biến ở loại chiều dài nhịp đơn không vượt quá 8m, thông dụng vẫn là nhịp có chiều dài 6m, đồng thời đường kính lòng máng XMLT cũng chỉ dừng ở giới hạn Do = (1,0÷1,2)m

Hệ thống kênh dẫn nước của các CTTL ngày càng gặp phải các loại địa hình phức tạp, bị chia cắt nhiều nên phải vượt qua nhiều sông, suối, thung lũng Với các cầu máng có chiều dài nhịp L ≤ 6m (được gọi là nhịp ngắn), chi phí xây dựng cầu máng sẽ cao do tốn rất nhiều mố trụ cầu Việc sử dụng kết cấu cầu máng XMLT nhịp lớn (chiều dài nhịp L > 6m) cho các công trình dẫn nước chắc chắn sẽ đem lại hiệu quả kinh tế cao

1.2.2 Tính toán CM-XMLT nhịp lớn

Tính toán nội lực và bố trí thép cho CM-XMLT nhịp lớn cũng như tính toán cho thân máng XMLT nhịp ngắn, tùy theo yêu cầu có thể sử dụng lý thuyết dầm hay lý thuyết vỏ mỏng không gian để tính Trong các nghiên cứu trước đây của tác giả cho CM-XMLT nhịp lớn đã rút ra được một số nhận xét: Với CM-XMLT mặt cắt chữ U, kết cấu nhịp đơn có L = (12÷20)m thì vật liệu XMLT thông thường vẫn đảm bảo khả năng chịu lực Tuy nhiên không nên sử dụng kết cấu máng XMLT thông thường khi chiều dài nhịp lớn hơn 12m vì biến dạng của thân máng sẽ vượt quá biến dạng cho phép Nên sử dụng kết cấu

máng XMLT có bố trí thép ƯST nhằm giảm độ võng của đáy máng và tăng khả năng chịu lực cho thân máng

1.3 Tổng quan về CM-XMLT-ƯST trước nhịp lớn

1.3.1 Khái quát về CM-XMLT-ƯST nhịp lớn

CM-XMLT-ƯST khác CM-XMLT thông thường ở chỗ trước khi chịu tác dụng của ngoại lực, cầu máng đã được nén trước Lực nén trước này làm giảm một phần hay toàn bộ ứng suất kéo do ngoại lực sinh ra, do đó làm tăng khả năng chống nứt theo phương dọc và tạo nên độ vồng trước, làm giảm được độ võng tổng cộng của cầu máng khi khai thác

1.3.2 Phương pháp tạo ứng suất trước

Để tạo ƯST trong các kết cấu BTCT nói chung hay XMLT nói riêng, cốt thép được kéo căng sau đó neo vào cấu kiện, do cốt thép có xu hướng phục hồi co lại làm cho cấu kiện chịu nén Căn cứ vào cốt thép căng trước hay sau có thể phân thành hai loại: phương pháp căng trước và phương pháp căng sau

1.3.3 Các vấn đề tính toán CM-XMLT-ƯST

1.3.3.1 Ứng suất kéo trước giới hạn

Ứng suất kéo trước lớn nhất cho phép trong cốt thép ứng suất trước (thép ƯST) được gọi là ứng suất giới hạn và được ký hiệu là σk Ứng suất này phụ thuộc vào loại thép và phương pháp tạo ƯST Ứng suất kéo trước giới hạn σk càng lớn thì ứng suất nén trước càng lớn, khả năng chống nứt của thân máng càng cao Tuy nhiên lực kéo giới hạn nếu lấy quá cao có thể gây mất an toàn

1.3.3.2 Tổn hao ứng suất trước

Ứng suất kéo trước tạo ra trong thép ƯST, sau khi neo ƯST bị giảm, lượng giảm này được gọi là tổn thất hay tổn hao ƯST, do nhiều nguyên nhân như do biến dạng của thiết bị neo, do ma sát giữa lỗ luồn thép và thép ƯST, do chênh lệch nhiệt độ giữa thép ƯST và giá căng, do co ngót và từ biến của vữa xi măng, do chùng thép ƯST, do thân máng bị ép co Các tổn hao này được xác định theo các công thức trong các tiêu chuẩn thiết kế của mỗi nước, các công thức này đều dựa trên độ giảm biến dạng tương đối ∆L/L của thép ƯST do các nguyên nhân nói trên, nên các tổn hao này tính theo tiêu chuẩn thiết kế của các nước cũng không khác nhau nhiều

1.3.4 Phân tích ứng suất trong CM-XMLT-ƯST

Do thân máng XMLT có dạng vỏ trụ và chiều dày của thân máng rất mỏng, nên chỉ thích hợp với thép ƯST đặt thẳng và dùng phương pháp căng sau Với phương pháp căng sau dễ dàng khống chế được lực kéo căng thép ƯST trong từng giai đoạn, nên cũng thuận tiện trong việc khống chế biến dạng và nứt, vấn

đề được xem là nhạy cảm với kết cấu XMLT vỏ mỏng

Trong các giáo trình tính toán “Kết cấu bê tông cốt thép ứng suất trước” đều trình bày dưới dạng bài toán dầm, cho nên với CM-XMLT vỏ mỏng có nhịp

lớn, phân tích nội lực theo phương dọc dùng lý thuyết dầm có nhiều thuận lợi, nhưng theo phương ngang gặp nhiều khó khăn vì không biết nội lực để tính toán và bố trí thép cho cầu máng theo phương ngang Do cầu máng vỏ mỏng chỉ tạo ƯST theo phương dọc máng, nên tính toán và cấu tạo CM-XMLT-ƯST theo phương ngang giống như CM-XMLT thông thường

Tuy nhiên cũng giống như tính toán CM-XMLT nhịp lớn, nếu phân tích trạng thái ứng suất và biến dạng của cầu máng trong các giai đoạn chịu lực theo lý thuyết dầm sẽ không phản ánh đúng trạng thái chịu lực thực của cầu máng, mà cần phân tích cầu máng theo bài toán vỏ không gian bằng phương PTHH

1.4 Tổng quan về công nghệ chế tạo CM-XMLT

CM-XMLT nhịp ngắn hiện nay được chế tạo bằng hai phương pháp: phương pháp rung trên bàn rung và phương pháp phun vữa Cả 2 phương pháp này đều

có những ưu nhược điểm gần như đối lập nhau Do đặc thù của CM-XMLT nhịp lớn là thường thi công vượt sông suối nên yêu cầu phải có một công nghệ thi công thích hợp Đó chính là phương pháp phải có ưu điểm của cả phương pháp rung trên bàn rung và ưu điểm của phương pháp phun vữa

Qua nhiều năm nghiên cứu và thi công, tác giả đã áp dụng tương đối thành công công nghệ rung áp ván khuôn để chế tạo cầu máng XMLT Thực tiễn cho thấy phương pháp rung áp ván khuôn cho chất lượng máng XMLT tốt và đồng đều như phương pháp rung trên bàn rung, nhưng lại có thể thi công cơ động ở tại hiện trường và thích hợp cho tất cả các loại chiều dài nhịp máng như phương pháp phun vữa Tuy nhiên việc bố trí hệ rung trên ván khuôn chỉ mang tính chất kinh nghiệm, vì vậy cần phải tiếp tục nghiên cứu cơ sở khoa học kết hợp thực nghiệm để nâng cao hiệu quả ứng dụng công nghệ này

1.5 Tổng quan về tình hình nghiên cứu CM-XMLT-ƯST

1.5.1 Tình hình chung

Có thể nói Nga là một trong những nước đầu tiên ứng dụng XMLT làm cầu máng dẫn nước trong CTTL Ngoài ra một số nước như Anh, Ba Lan, Trung Quốc, Việt Nam, Cu Ba, Nhật Bản, Brazil, Hoa Kỳ, Eduador cũng sử dụng XMLT làm kênh máng, cầu máng dẫn nước trong CTTL Đối với CM-XMLT-ƯST mặc dù đã được Shugaev (Nga) đề cập đến trong nghiên cứu từ những năm 60 của thế kỷ trước nhưng thực tiễn ứng dụng gần như chưa có

Tại Việt Nam kết cấu XMLT nói chung cũng chỉ mới được nghiên cứu áp dụng vào cuối những năm 80 Bước sang thập kỷ 90 và cho đến nay chủ yếu kết cấu XMLT của ngành thủy lợi là tiếp tục được nghiên cứu và ứng dụng ngày càng phát triển mạnh mẽ Đi đầu trong lĩnh vực này phải kể đến các nhà khoa học thuộc Bộ môn Kết cấu công trình – Trường Đại học Thủy Lợi đã nghiên cứu ứng dụng và triển khai thành công nhiều công trình trên khắp cả nước

1.5.2 Những nghiên cứu về CM-XMLT

Các nghiên cứu gần đây về CM-XMLT chủ yếu được xuất phát từ Trung Quốc

và Việt Nam Các nghiên cứu tập trung về vật liệu và công nghệ chế tạo có thể

kể đến như HE Liang (2012), WU Tao (2012), YU Li (2014), Vũ Quốc Vương (2012), Trương Quốc Bình (2014)

1.5.3 Những nghiên cứu về CM-BTCT-ƯST

Đối với CM-BTCT-ƯST được sử dụng tương đối rộng rãi trên thế giới đặc biệt

là Trung Quốc Tuy nhiên tại Việt Nam chưa có một cầu máng nào sử dụng công nghệ ƯST mặc dù cũng đã có những nghiên cứu và đề xuất công nghệ này trong các Luận văn và thuyết minh tính toán lựa chọn phương án

Các nghiên cứu về CM-BTCT-ƯST ở nước ngoài đa phần từ Trung Quốc, nơi ứng dụng CM-BTCT-ƯST tương đối nhiều trong các dự án chuyển nước giữa các lưu vực sông Các nghiên cứu điển hình có Bai Xin-li (2001), Fu Zhi-yuan (2004), Ji Ri-chen (2006), Zhao Shunbo (2006), Cheng wa (2008), Feng Guang-wei (2013), Ma Wen-liang (2012), Gao ping (2013) Những nghiên cứu

về CM-XMLT và CM-BTCT-ƯST ở trên chủ yếu tập trung vào tính toán mô phỏng máy tính và so sánh với kết quả thí nghiệm trên mô hình thực từ đó nhận xét về khả năng chịu lực của cầu máng

1.6 Những vấn đề cần nghiên cứu đặt ra đối với Luận án

Từ các kết quả nghiên cứu về CM-XMLT, CM-BTCT-ƯST đã nêu ở trên và thực tiễn, luận án đã đặt ra ba vấn đề cần nghiên cứu đối với CM-XMLT-ƯST:

(1) Phân tích lựa chọn mô hình tính toán, lập trình tính toán, thực nghiệm trên máy tính nghiên cứu về quy luật ứng suất-biến dạng CM-XMLT-ƯST nhịp lớn (2) Thực nghiệm tại hiện trường nghiên cứu về quy luật ứng suất-biến dạng CM-XMLT-ƯST nhịp lớn

(3) Kết hợp thực nghiệm trên máy tính và hiện trường nghiên cứu về công nghệ chế tạo CM-XMLT-ƯST bằng phương pháp rung áp ván khuôn

1.7 Kết luận Chương 1

Trải qua hơn 20 năm phát triển, CM-XMLT nhịp ngắn (L ≤ 6m) của Việt Nam

đã có những tiến bộ, những kinh nghiệm nhất định về cả lĩnh vực nghiên cứu

và ứng dụng Trước nhu cầu thực tế cần thiết phải nghiên cứu và phát triển kết cấu CM-XMLT nhịp lớn, tác giả đã đặt ra vấn đề nghiên cứu tính toán, thực nghiệm và đề xuất kết cấu CM-XMLT-ƯST nhịp lớn Đây là một loại kết cấu mới kết hợp giữa XMLT và thép ƯST, được dùng riêng cho CM-XMLT nhịp lớn

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG CM-XMLT-ƯST NHỊP LỚN

2.1 Đặt vấn đề

Việc xác định trạng thái ứng suất và chuyển vị của CM-XMLT theo bài toán vỏ mỏng không gian bằng phương pháp phần tử hữu hạn là hợp lý nhất do phản ánh được tương đối chính xác sự làm việc thực tế của cầu máng Tính toán theo

lý thuyết dầm đơn giản về mặt lý thuyết, đưa về bài toán làm việc một chiều nên chỉ cho trạng thái ứng suất và biến dạng theo một phương, ứng suất pháp theo phương dọc máng và chuyển vị đứng thẳng góc với trục máng

ANSYS là một phần mềm phân tích phần tử hữu hạn thông dụng, có khả năng thiết kế theo tham số dựa trên ngôn ngữ lập trình FORTRAN để xây dựng bài toán mô phỏng kết cấu cần thay đổi các giá trị như hình học, tải trọng (áp lực nước, lực căng cáp, tải trọng người đi), vật liệu Dựa trên phần mềm này, tác giả đã tiến hành thiết kế mô phỏng kết cấu CM-XMLT-ƯST theo các tham số định trước, từ đó làm cơ sở cho việc nghiên cứu sự thay đổi trạng thái ứng suất – biến dạng kết cấu cầu máng khi cho các tham số thiết kế thay đổi

2.2 Lập trình tính toán ứng suất và biến dạng CM-XMLT-ƯST nhịp lớn bằng ngôn ngữ lập trình tham số APDL trong ANSYS

2.2.1 Mô hình hóa kết cấu CM-XMLT-ƯST

Mô hình hóa kết cấu thân máng XMLT-ƯST mặt cắt chữ U theo bài toán không gian bằng phương pháp phần tử hữu hạn sử dụng 2 loại phần tử:

Phần tử khối 20 điểm nút SOLID187 mô phỏng kết cấu thân máng

Phần tử cáp 2 điểm nút LINK8 mô phỏng cáp ƯST

Hai đầu máng được kê lên gối đỡ như dầm đơn, một đầu ràng buộc các chuyển

vị thẳng, một đầu ràng buộc chuyển vị thẳng theo phương đứng và phương ngang máng

Cầu máng vỏ mỏng XMLT-ƯST mặt cắt chữ U thép ƯST chỉ có thể bố trí thẳng ở đáy máng, nên đáy máng cần có chiều dày lớn hơn thành máng, Còn máng có nhịp ngắn và trung bình không dùng ƯST, nên đáy máng chỉ cần dày hơn thành máng chút ít hoặc có chiều dày bằng chiều dày thành máng, trong trường hợp này đáy máng có dạng nửa trụ tròn để dàng cho việc tạo ván khuôn

2.2.2 Lập trình tính kết cấu cầu máng bằng ngôn ngữ APDL

Chương trình tính kết cấu CM-XMLT-UST được xây dựng trên cơ sở phương pháp phần tử hữu hạn, dùng ngôn ngữ lập trình tham số APDL (ANSYS Parametric Design Language) trong ANSYS là một chương trình chuyên dụng phân tích kết cấu cầu máng tiết diện chữ U dưới dạng file macro, để giải bài toán kết cấu CM-XMLT-ƯST có kích thước tùy ý và trường hợp đặc biệt của

nó là CM-XMLT thường (không ƯST)

Mô hình hóa kết cấu CM-XMLT-ƯST theo APDL, toàn bộ các dữ liệu ban đầu nhập vào chương trình được thực hiện qua cửa sổ giao diện với người sử dụng

2.2.3 Kiểm tra độ tin cậy của chương trình

Để có cơ sở đánh giá độ tin cậy của “Chương trình tính CM-XMLT-UST” tiết diện chữ U bằng ngôn ngữ lập trình APDL, tác giả đã kiểm tra ứng suất và biến dạng của CM-XMLT nhịp lớn theo lý thuyết dầm với bài toán CM-XMLT-ƯST có kích thước tiết diện ngang cho ở hình 2.12a và CM-XMLT thường (không ƯST) với mặt cắt ngang tiết diện dầm có đáy là nửa trụ tròn, có chiều dày bằng chiều dày thành máng (to = t = 0,04m) như ở hình 2.12b

Kết quả tính toán chuyển vị và ứng suất tại mặt cắt giữa nhịp của ƯST theo bài toán không gian bằng “Chương trình CM-XMLT-UST” và theo bài toán dầm bằng giải tích do các thành phần tải trọng tác dụng lên cầu máng sinh ra được tổng hợp trong bảng 2.5 và bảng 2.6

CM-XMLT-Từ bảng 2.5 và bảng 2.6 cho thấy kết quả tính toán chuyển vị và ứng suất tại giữa nhịp máng do các thành phần tải trọng theo lý thuyết vỏ bằng “Chương trình CM-XMLT-UST” (viết tắt là ANSYS) và theo lý thuyết dầm bằng giải tích (viết tắt là giải tích) có sự chênh nhau nhưng không đáng kể Sự chênh lệch này là do khi tính toán theo lý thuyết dầm đã bỏ qua ảnh hưởng của thanh giằng

và các sườn ngang nên giá trị chuyển vị và ứng suất đều lớn hơn so với tính toán theo bài toán không gian bằng ANSYS, điều này hoàn toàn phù hợp với thực tế Đối với CM-XMLT thường cũng cho kết quả tương tự Vậy “Chương trình CM-XMLT-UST” do tác giả lập có đủ độ tin cậy

Hình 2.1 Mặt cắt ngang CM-XMLT-ƯST và CM-XMLT thường Bảng 2.1 Chuyển vị UY tại mặt cắt giữa nhịp của CM-XMLT-ƯST Tính toán Chuyển vị đứng UY (mm) ở đáy máng do

Giải tích -0,6414 -1,3798 -0,09045 2,2891 0,17745 ANSYS -0,72537 -1,42132 -0,09372 2,385 0,14459 Bảng 2.2 Ứng suất SZ tại mặt cắt giữa nhịp của CM-XMLT-ƯST

x y

o o

o o

O b)

Tính toán Ứng suất theo phương dọc SZ (kN/m) ở đáy máng do

Giải tích 737,705 1587,029 104,034 -5296,076 -2867,308 ANSYS 727,98 1424,8 95,158 -4862,1 -2614,16

2.3 Lập bảng tra chuyển vị và ứng suất cầu máng mặt cắt chữ U

2.3.1 Số liệu tính toán CM-XMLT nhịp lớn

Lập các bảng tra sẵn chuyển vị và ứng suất của CM-XMLT-ƯST nhịp đơn có mặt cắt ngang hình chữ U với một số kích thước thường gặp được kí hiệu là CM-A, CM-B, CM-C,…, và CM-K cho ở bảng 2.9 Đối với CM-XMLT thường (không ƯST) thì chiều dày đáy máng to lấy bằng chiều dày thành máng, còn các kích thước khác lấy theo bảng 2.9

Với CM-XMLT thường khi lập bảng tra sẵn đã chọn chiều dày đáy máng bằng chiều dày thành máng to = t = 0,04m, phần đáy máng lúc này có dạng vỏ mỏng nửa trụ tròn, được kí hiệu thêm dấu (*) là CM-A*, CM-B*,… , và CM-K*

Bảng 2.3 Kích thước mặt cắt ngang CM-XMLT-ƯST

2.3.2 Bảng tra chuyển vị, ứng suất của cầu máng xi măng lưới thép

Ví dụ Bảng tra chuyển vị và ứng suất của cầu máng CM-C cho ở bảng 2.9 có kích thước L = 8m ~ 22m; Do = 1,2m, H = 1,4m, LNT* = 875kN Các số nhập vào chương trình được thực hiện qua cửa sổ giao diện với người sử dụng Cho chạy chương trình và hiển thị kết quả tính toán chuyển vị đứng UY (Hình 2.13), ứng suất dọc máng SZ ở đáy máng và đỉnh máng (Hình 2.14 và Hình 2.15) và ứng ngang máng SX ở đáy máng (Hình 2.16) tại mặt cắt giữa nhịp cầu máng

Hình 2.2 Đường biểu diễn chuyển vị

đứng UY(L) ở đáy máng Hình 2.3 Đường biểu diễn ứng suất dọc SZ(L) ở đáy máng

Hình 2.4 Đường biểu diễn ứng suất

dọc SZ(L) ở đỉnh máng

Hình 2.5 Đường biểu diễn ứng suất ngang SX(L) ở đáy máng Theo lý thuyết vỏ khi cầu máng vỏ mỏng dạng dầm có tỷ số giữa chiều dài và chiều cao của tiết diện cầu máng L/Hm đủ lớn thì độ võng theo phương vuông góc với trục máng và ứng suất pháp ở đáy máng theo phương dọc tính theo lý thuyết dầm cũng đủ độ chính xác cần thiết

Từ kết quả tính toán chuyển vị của cầu máng CM-C có H = 1,4m, to = 0,2m ta xác định tỷ số L/Hm để kết quả tính toán theo lý thuyết dầm xấp xỉ bằng theo lý thuyết vỏ cho ở Bảng 2.14, trong đó Hm = H + to = 1,6m

Bảng 2.4 So sánh chuyển vị tính theo lý thuyết vỏ và lý thuyết dầm