Phân tích ảnh hưởng của sự thay đổi nhiệt độ đến ứng suất và biến dạng của cầu toàn khối một nhịp tại khu vực nam bộ, việt nam

TÊN ĐỀ TÀI: PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG CỦA SỰ THAY ĐÔI NHIỆT ĐỘ ĐẾN ÚNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG CỦA CẦU TOÀN KHỐI MỘT NHỊP TẠI NAM BỘ, VIỆT NAM II.. 5 Nghiên cứu ứng dụng chuơng trình ANSYS để phân

Trang 1

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN VĂN TOẢN

PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG CỦA SỰ THAY ĐỔI NHIỆT ĐỘ

ĐẾN ƯNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG CỦA CẦU TOÀN KHỐI MỘT NHỊP TẠI KHU VỰC NAM BỘ, VIỆT NAM

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng Công trình giao thông

Mã ngành: 60 58 02 05

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Thành phố Hồ Chí Minh, 2017

Trang 2

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS LÊ BÁ KHÁNH

TS PHÙNG MẠNH TIẾN PGS.TS TRẦN NGUYỄN HOÀNG HÙNG Xác nhận của Chủ tịch Hộỉ đồng đánh giá LV và Bộ môn quản lý chuyên ngành sau khỉ luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

Trang 3

— iii —

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: NGUYỄN VĂN TOẢN MSHV: 7140679 Ngày, tháng, năm sinh: 20/07/1991 Nơi sinh: Hà lĩnh

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng Công trình giao thông Mã số : 60 58 02 05

I TÊN ĐỀ TÀI:

PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG CỦA SỰ THAY ĐÔI NHIỆT ĐỘ ĐẾN ÚNG SUẤT

VÀ BIẾN DẠNG CỦA CẦU TOÀN KHỐI MỘT NHỊP TẠI NAM BỘ, VIỆT

NAM

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

1) Nghiên cứu tổng quan về cấu tạo, những thuận lợi khó khăn trong xây dụng và hiểu biết về cầu toàn khối

2) Nghiên cứu về sụ truyền nhiệt trong kết cấu cầu và sụ thay nhiệt độ ở Nam Bộ, Việt Nam

3) Nghiên cứu tổng quan về tuơng tác “cầu toàn khối - đất nền”

4) Nghiên cứu tổng quan về sụ làm việc mỏi của cọc móng cầu toàn khối

5) Nghiên cứu ứng dụng chuơng trình ANSYS để phân tích ứng suất, biến dạng của hệ

mố - nền đất đắp quanh mố cầu toàn khối một nhịp trong điều kiện Việt Nam (xây dụng sơ đồ phần tử hữu hạn, phân tích, nhận xét và kết luận)

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : (Ghi theo trong QĐ giao đề tài)

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: (Ghi theo trong QĐ giao đề tài)

V CÁN BỘ HUỚNG DẪN: TS LÊ BÁ KHÁNH

TP Hồ Chí Minh, ngày 14 tháng 8 năm 2017

TRƯỞNG KHOA

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Trang 4

Đồng thời, tôi xin gửi lời cảm ơn đến Trường Đại học Thủy Lợi, Bộ môn Công trình Giao thông; Cơ sở 2 - Đại học Thủy Lợi, Bộ môn Kỹ thuật Công trình nơi tôi đang công tác, đã tạo điều kiện thuận lợi nhất để tôi hoàn thành chương trình học

Cuối cùng, con xin gửi lời cảm ơn đến cha mẹ, anh chị, em trai, bạn bè đồng nghiệp đã luôn ủng hộ tôi, kề vai sát cánh trong suốt thời gian qua./

Tác giả

Nguyễn Văn Toản

Trang 5

xu thế chuyển vị về phía đất nền sau mố và ngược lại vào đêm mùa đông khi nhiệt độ xuống thấp nhất Đặc biệt, ứng suất trong cọc móng HP thay đổi theo tính chất trùng phục của nhiệt

độ, là một trong các nguyên nhân có thể làm cọc bị phá hoại mỏi Bằng việc tiếp cận phương pháp phân tích mỏi ứng suất theo thời gian có thể thấy tuổi thọ của cọc HP trong CTK có xu thế giảm khi chiều dài kết cấu nhịp tăng và phạm vi nhiệt độ thay đổi rộng

Từ khóa: cầu toàn khối, tương tác đất kết cấu, phần tử hữu hạn, phân tích mỏi, ANSYS.

Trang 6

- viii -

Impact of Temperature Change on Strain-stress of Integral Abutment

Bridges in the South of Vietnam ABSTRACT:

Integral Abutment Bridges (IABs) is a modem type of bridge which have been applied commonly in the world, however, there are still technical engineering problems remained that need to solve completely The objective of this thesis is to numerically simulate and analyze the stress-strain of structure of the single span IABs under thermal loading in Southern part of Vietnam, by using finite element method on ANSYS programme The interaction between soils and substructure of IABs was also simulated based on Drucker-Prager model In addition, the study takes into consideration the perfectly of elastic-plasticity of materials Various thermal loading were investigated, the result demonstrates that changes of soilstructure interaction and stress depend on thermal fluctuation Bridge displacements are affected by both daily and seasonal temperature changes Especialy, stress in H- pile steel changed due to thermal fluctuated cycle loading Approaching stress-life method in fatigue analysis, it can be in said that the trend of life of H-pile is decrease if length of superstructure is increase or the variation

of temperature is larger

Keywords: Integral Abutment Bridges, soil structure interaction, finite element, fatigue

analysis, ANSYS

Trang 7

-ix-

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu khoa học độc lập của tôi Các số liệu trong luận văn là trung thực và có nguồn gốc rõ ràng Các kết quả của luận văn chưa từng được công

bố trong bất cứ công trình khoa học nào Tác giả hoàn toàn chịu trách nhiệm về tính xác thực và nguyên bản của luận văn

Tác giả

Nguyễn Văn Toản

Trang 8

-X-

MỤC LỤC

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ iii

LỜI CẢM ƠN vi

TÓM TẮT LUẬN VĂN vii

LỜI CAM ĐOAN ix

MỞ ĐẦU 1

CHUƠNG 1: TÔNG QUAN VỀ CẦU TOÀN KHỐI 4

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 4

1.2 CẦU MỐ TOÀN KHỐI 6

1.2.1 Thuận lợi và khó khăn của cầu mố toàn khối 7

1.2.2 Vật liệu của cọc trong cầu toàn khối 8

1.3 TUƠNG T ÁC GIỮA Đ ẤT VÀ MÔ , CỌC CẦU TOÀN KHỐI 9

1.4 KẾT LUẬN CHUÔNG 12

CHUÔNG 2: cơ SỞ LÝ THUYẾT PHÂN TÍCH CẦU TOÀN KHỐI 13

2.1 TRUYỀN NHIỆT TRONG KẾT CẤU CẦU 13

2.2 TUƠNG T ÁC GIỮA K ẾT C ẤU PHẦN TRÊN VÀ MÔ M ÓNG 15

2.2.1 Phuơng pháp Winkler 16

2.2.2 Phuong pháp đuờng cong p - y 17

2.2.3 Mô hình đàn hồi tuyến tính 18

2.2.4 Mô hình Mohr - Coulomb và Drucker - Prager 18

2.3 PHÂN TÍCH MỎI CỦA CỌC CẦU TOÀN KHỐI 21

2.3.1 Mỏi của kết cấu 21

2.3.2 Phương pháp phân tích mỏi 22

2.3.3 Nghiên cứu về mỏi của cọc cầu toàn khối 28

2.3.4 Phương pháp phân tích phi tuyến vật liệu 30

2.4 ĐIỀU KIỆN NHIỆT ĐỘ KHU VỰC NGHIÊN CỨU 33

2.4.1 Khu vực nghiên cứu 33

2.4.2 Dữ liệu nhiệt độ thu được 34

2.4.3 Mô hình toán của biến số nhiệt độ 37

2.4.3.1 Nhiệt độ thay đổi theo ngày 38

Trang 9

-xi-

2.4.3.2 Nhiệt độ thay đổi theo mùa 38

2.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG 38

CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH ÚNG SUẤT BIẾN DẠNG CẦU TOÀN KHỐI DƯỚI ẢNH HƯỞNG CỦA THAY ĐÔI NHIỆT ĐỘ 40

3.1 GIỚI THIỆU 40

3.2 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN cứu 41

3.2.1 Thông số kết cấu 41

3.2.2 Thông số đất nền 45

3.2.3 Tải trọng tác dụng 46

3.3 Sơ ĐỒ PHẦN TỬ HỮU HẠN 48

3.3.1 Phần tử kết cấu và điều kiện biên 48

3.3.2 Vật liệu và thuộc tính 50

3.3.3 Mô hình đất 53

3.3.4 Bài toán kiểm tra sụ vận hành của chuơng trình 53

3.4 KẾT QUẢ ÚNG SUẤT, BIẾN DẠNG VÀ CHUYÊN VỊ 56

3.4.1 ứng suất, biến dạng, chuyển vị của mố và cọc trong sơ đồ tĩnh 56

3.4.1.1 Chuyển vị của đất xung quanh cọc 56

3.4.1.2 ứng suất trong cọc 57

3.4.1.3 Chuyển vị của cọc 62

3.4.1.4 ứng suất trên mố 66 3.4.1.5 Chuyển vị của mố 70

3.4.2 ứng suất, biến dạng của dầm chủ trong sơ đồ tĩnh 71

3.4.3 Phân tích mỏi của cọc theo thời gian 75

3.5 NHẬN XÉT CỦA CHƯƠNG 78

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 81

TÀI LIỆU THAM KHẢO 83

PHỤ LỤC 85

Trang 10

- xii -

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2 1 Gradient nhiệt theo phưong thẳng đứng trong kết cấu nhịp thép và bê tông

(22TCN272, 2005) 15

Bảng 2 2 So sánh phương pháp gia tăng từng bước (Incremental) và Newton Raphson 31

Bảng 2 3 So sánh phương pháp Full Newton - Raphson và Newton - Raphson 32

Bảng 2 4 Vùng nhiệt độ thiết kế của Việt Nam trong 22TCN272-05 34

Bảng 2 5 Vùng nhiệt độ thiết kế của Việt Nam (Nguyễn Phúc Trí, 2006) 34

Bảng 2 6 Nhiệt độ không khí tại trạm Tân Sơn Hòa, Tp Hồ Chí Minh 35

Bảng 2 7 Nhiệt độ không khí tại trạm Mỹ Tho, Tiền Giang 35

Bảng 3 1 Đặc trưng hình học của các bộ phận kết cấu phần trên 43

Bảng 3 2 Đặc trưng hình học của cọc thép HP-410-210 (skylinesteel.NUCOR) 45

Bảng 3 3 Thông số đất nền 45

Bảng 3 4 Các tham số cơ bản của mô hình đất (DP hoặc MC) 45

Bảng 3 6 Tổ hợp tải trọng và hệ số tải trọng theo AASHTO LRFD 47

Bảng 3 7 Thuộc tính vật liệu thép tấm 50

Bảng 3 8 Thuộc tính vật liệu bê tông 50

Bảng 3 9 Tham số mô hình đàn dẻo của vật liệu thép tấm và bê tông 51

Bảng 3.10 Tham số vật lý của đất trong mô hình DP 53

Bảng 3.13 Tổng hợp kết quả phân tích qua các trường hợp tính toán 55

Bảng 3 14 ứng suất thay đổi phụ thuộc phạm vi biên độ nhiệt độ thay đổi và chiều dài nhịp đối với phần tử phân tích 77

Bảng 3 15 Số chu kỳ mỏi phụ thuộc biên độ nhiệt độ thay đổi và chiều dài nhịp 77

Bảng 3 16 Tuổi thọ mỏi của cọc trong các trường họp nghiên cứu giả thiết biên độ nhiệt độ thay đổi theo ngày 78

Trang 11

- xiii -

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1 1 CTK được xây dựng tại Nova Scotia, Canada 4

Hình 1.2 Dạng CTK một nhịp trên hệ móng cọc một hàng học 5

Hình 1.3 Dạng CTK một nhịp không sử dụng móng cọc 5

Hình 1 4 Bố trí kết cấu của cầu truyền thống và CTK 6

Hình 1 5 Xu thế biến dạng của CTK một nhịp do nhiệt độ thay đổi 6

Hình 1 6 Sơ đồ hình học và sơ đồ tính của cầu truyền thống và CTK một nhịp 7

Hình 1 7 Kết quả thí nghiêm tải trọng/biến dạng cho cọc thép và bê tông (Kamel) 9

Hình 1 8 Chuyển vị của mố do tác động của gradient nhiệt và độ lệch tâm giữa áp lực đất và lực dọc trục trong kết cấu nhịp 10

Hình 1 9 So sánh mức độ biến dạng của cọc CTK trong trường hợp đất có độ chặt khác nhau 11

Hình 2 1 Ảnh hưởng của nhiệt độ thay đổi lên CTK 13

Hình 2 2 Dãn nở vì nhiệt của CTK theo các phương 13

Hình 2 3 Sự phân bố nhiệt độ rải đều theo chiều cao kết cấu (Emerson, 1976) 14

Hình 2 4 Phân bố gradient nhiệt trên mặt cắt ngang kết cấu nhịp (22TCN272, 2005) 15

Hình 2 5 Mô hình đường cong p-y 18

Hình 2 6 Quan hệ giữa ứng suất và biến dạng của đất trong mô hình Mohr - Coulomb đàn dẻo lý tưởng (PLAXIS Manual) 19

Hình 2 7 ứng xử dẻo của phần tử trong quá trình cắt (The Engineering of Foundations) 20 Hình 2 8 Mặt ứng suất chảy dẻo trong mô hình MC và DP 20

Hình 2 9 Sự biến thiên ứng suất trong kết cấu chịu tải trọng thay đổi tuần hoàn theo thời gian và mối quan hệ ứng suất biến dạng khi phá hoại mỏi xảy ra 21

Hình 2 10 Biểu đồ đường quan hệ giữa cường độ phá hoại mỏi và số chu kỳ tác động (kết quả thực nghiệm của thép UNS G41300, NACA Tech., 1966) 22

Trang 12

- xiv

-

Hình 2 11 Biểu đồ đường quan hệ giữa biên độ biến dạng và số chu kỳ tác động (kết quả

thực nghiệm của thép hình cán nóng SAE 1020, SAE J1099 200208) 24

Hình 2 12 Chu trình ứng suất biến dạng của vật liệu sau 5 chu kỳ (Shigley’s Mechanical Engineering Design, 10th edition) 24

Hình 2 13 Một số mối quan hệ ứng suất - thời gian: (a) ứng suất thay đổi dao động với tần suất gợn cao; (b) (c) ứng suất dao động gần hình sin; (d) ứng suất dao động điều hòa; (e) ứng suất lặp lại; (f) ứng suất điều hòa đối xứng (Richard G Budynas & J Keith Nisbett, 2014) 25

Hình 2 14 Biểu đồ Goodman cho các đuờng ứng suất (Richard G Budynas & J Keith Nisbett, 2014) 26

Hình 2 15 Sơ đồ cây trình tự tính toán về mỏi của kết cấu (ANSYS) 26

Hình 2 16 Sơ đồ cây phân tích mỏi với mô hình biến dạng theo thời gian (ANSYS) 27

Hình 2 17 Sơ đồ cây phân tích mỏi với mô hình ứng suất theo thời gian (ANSYS) 27

Hình 2 18 Chuyển vị của mố và cọc của CTK trong một chu kỳ nhiệt 28

Hình 2 19 Dạng chuyển vị xoay và uốn của tuờng mố (Steve Rhodes, Julian Moses) 28

Hình 2 20 Phá hoại mỏi trong cọc thép HP duới tải trọng lặp 29

Hình 2 21 Khái niệm phân tích tuyến tính (a) và phi tuyến (b) 30

Hình 2 22 Phuơng pháp luận phân tích số của phân tích phi tuyến 30

Hình 2 23 Sụ hội tụ của phuơng pháp phân tích phi tuyến 31

Hình 2 24 Phuơng pháp phân tích số của phân tích phi tuyến Full Newton - Raphson và Modified Newton - Raphson 31

Hình 2 25 Quá trình phân tích phi tuyến trong ANSYs 32

Hình 2 26 Thiết lập dung sai cho tiêu chuẩn hội tụ 33

Hình 2 27 Biểu đồ nhiệt độ trung bình theo tháng qua nhiều năm tại trạm Mỹ Tho, TG 36

Hình 2 28 Biểu đồ nhiệt độ lớn nhất theo tháng qua nhiều năm tại trạm Mỹ Tho, TG 36

Hình 2 29 Biểu đồ nhiệt độ thấp nhất theo tháng qua nhiều năm tại trạm Mỹ Tho, TG 37

Hình 3 1 Sơ đồ khối phân tích tham số bằng ANSYS dụ kiến 41

Hình 3 2 Một nửa mặt cắt dọc cầu nghiên cứu 42

Hình 3 3 Mặt cắt ngang cầu (mặt cắt 1-1) 42

Hình 3 4 Bố trí cốt thép dầm chủ và cốt thép bản mặt cầu 42

Hình 3 5 Mặt cắt ngang của các bộ phận kết cấu phần trên 44

Hình 3 6 Mặt cắt ngang của các bộ phận kết cấu phần duới 44 Hình 3 7 Lý tuởng hóa tuơng quan góc dãn nở từ thí nghiệm 3 trục (Vermeer & de Borst,

Trang 13

-xv-

1984) 46

Hình 3 8 Cấu trúc phần tử SOLID187 (ANSYS) 48

Hình 3 9 Cấu trúc phần tử BEAM 188 (ANSYS) 49

Hình 3 10 Sơ đồ tính !4 cầu gồm bản mặt cầu, dầm thép, mố, cọc thép 49

Hình 3.11 Luới phần tử hữu hạn (FEM) của sơ đồ !4 cầu 49

Trang 15

-XV-

Hình 3.12 Các dạng đường quan hệ ứng suất biến dạng của bê tông và thép 51

Hình 3 13 Quan hệ ứng suất biến dạng của bê tông (BKIN, ANSYS) 52

Hình 3 14 Quan hệ ứng suất biến dạng của thép (BKIN, ANSYS) 52

Hình 3 15 Sơ đồ 1, nhiệt độ đều tác dụng lên dầm giản đơn 53

Hình 3 16 Sơ đồ 2, nhiệt độ đều tác dụng lên dầm hai đầu gối cố định 53

Hình 3.17 Dầm mảnh bị uốn và mất ổn định khi nhiệt độ tăng cao 54

Hình 3 18 Biểu đồ quan hệ giữa ứng suất và biến dạng thu được từ kết quả phân tích 55

Hình 3 19 Chuyển vị ux của đất quanh cọc, nhịp nghiên cứu L30m, TU10°C 56

Hình 3 20 Chuyển vị ux của đất quanh cọc, nhịp nghiên cứu L30m, TU30°C 57

Hình 3 21 ứng suất von Mises đầu cọc, nhịp nghiên cứu L24m, TU10°C 58

Hình 3 30 Biểu đồ chyển vị của cọc dưới nhiệt độ thay đổi, nhịp L24m 63

Hình 3.31 Biểu đồ chyển vị của cọc dưới nhiệt độ thay đổi, nhịp L30m 63

Hình 3 32 Biểu đồ chyển vị của cọc dưới nhiệt độ thay đổi, nhịp L36m 63

Hình 3 33 Biểu đồ chyển vị của cọc khi chiều dài nhịp thay đổi, nhiệt độ TU-15°C 64

Hình 3 34 Biểu đồ chyển vị của cọc khi chiều dài nhịp thay đổi, nhiệt độ TU+10°C 64

Hình 3 37 Chyển vị của đầu cọc phụ thuộc chiều dài nhịp và nhiệt độ thay đổi 66

Hình 3 38 ứng suất von Mises trên mố trường họp nhịp nghiên cứu L30m, TU10°C 67

Hình 3.41 Biểu đồ chyển vị ux của mố dưới nhiệt độ thay đổi, nhịp L24m 70

Hình 3 42 Biểu đồ chyển vị ux của mố dưới nhiệt độ thay đổi, nhịp L30m 70

Hình 3 43 Biểu đồ chyển vị ux của mố dưới nhiệt độ thay đổi, nhịp L36m 71

Trang 16

-xvi-

Hình 3 44 ứng suất von Mises trên dầm, nhịp nghiên cứu L30m,TU10°C 72

Hình 3 47 Biểu đồ quan hệ giữa ứng suất và số chu kỳ của vật liệu thép cọc 76

Hình 3 48 Vị trí phần tử phân tích mỏi đối với truờng họp nhịp L30m 76

Trang 17

-xvii-

BTCT Bê tông côt thép

AASHTO : American Association of State Highway and Transportation Officials

ANSYS : Analysis Systems (on computer), ANSYS Inc, USA

ASTM : American Society for Testing and Materials

DP : Drucker-Prager model

DPE : Drucker-Prager Extend model

E-N : Strain-Life (Low cycle fatigue)

EPS : Expanded Polystiren geofoam

EPSB : Expanded Polystiren geofoam Blocks

FEM : Finite Element Method

FIIWA : Federal Highway Administration, US

JIS : Japan Industry Standard

HP : H-Piles steel

LRFD : Load Resistance Factor Design

MSE : Mechanically Stabilized Earth

NACA : National Advisory Committee for Aeronautics, US

Trang 18

- xviii -

S-N Stress-Life (High cycle fatigue)

SAE Society of Automotive Engineers, US

SSI Soil-Structure Interaction

Trang 19

-xix-

DANH MUC KÝ HIẼU

w Phản lực đất đơn vị lên cọc hoặc mố

Hệ số áp lực đất bị động Tổng chuyển vị thiết kế do nhiệt

p

Kh

áp lực đất tác dụng lên cọc hệ số nền theo phương ngang của đất

u chuyển vị ngang của cọc tại điểm X dọc theo chiều dài của cọc

Pult Y50E Sức kháng cực hạn của đất trên đơn vị chiều dài cọc Biến dạng ở 50% sức

kháng cực hạn của đất Module đàn hồi

<p góc ma sát trong

Trang 20

- xx -

Trang 22

n’ số mũ chu kỳ biến dạng cứng nguội

Kt hệ số ứng suất đàn hồi tập trung

Trang 25

-xxi-

Ec Modulus đàn hồi của bê tông

Ys Trọng lượng riêng riêng của thép

O1 ứng suất trục trong thí nghiệm 3 trục

03 Áp lực buồng trong thí nghiệm 3 trục

Trang 27

và mố, móng cầu và những vấn đề này cần được nghiên cứu, làm rõ Sự ảnh hưởng của nhiệt độ theo ngày, theo mùa lên CTK như là một nguyên nhân gây ra tải trọng lặp có tính tuần hoàn do kết cấu biến dạng khi nhiệt độ thay đổi Kết quả này ảnh hưởng đáng kể trong sự tương tác giữa đất- kết cấu của CTK, đặc biệt là nó có thể gây ra áp lực đất quá mức phía sau mố vượt quá giới hạn cho phép Bên cạnh đó, sự hiểu biết về ứng xử của kết cấu CTK hiện nay là chưa đầy đủ Điều này do tính phức tạp của tổng thể CTK và chúng cần được nghiên cứu một cách rõ ràng trong đó cần cân nhắc nghiên cứu sự tương tác giữa đất và kết cấu do ảnh hưởng của nhiệt độ

Để có căn cứ khoa học rõ ràng trong việc xem xét sử dụng CTK thì vấn đề nghiên cứu sâu về các ảnh hưởng đến ứng suất và biến dạng của kết cấu CTK trong đó có ảnh hưởng do nhiệt trong cùng điều kiện về tính chất vật lý của đất nền là một vấn đề hết sức cần thiết để nghiên cứu, đánh giá Nhằm củng cố cơ sở khoa học khi áp dụng là dạng kết cấu cầu mới-CTK vào điều kiện Nam Bộ, Việt Nam

2 MỤC TIÊU NGHIÊN cứu

V Phân tích ảnh hưởng của nhiệt độ đến CTK áp dụng với một số bài toán cụ thể bằng chương trình phân tích tham số trên máy tính (ANSYS)

V Xác định được mức độ ảnh hưởng của yếu tố nhiệt độ tới CTK nhịp giản đơn tại Nam

Bộ, Việt Nam

3 ĐỐI TUỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN cúu

Trong luận văn này chỉ mới nghiên cứu đến ứng suất và biến dạng của mố, móng cọc thép của CTK một nhịp điển hình trên thế giới đã áp dụng, kết cấu phần trên là dầm thép - bê tông

Trang 28

-2-

liên hợp có chiều dài thay đổi Dưới tác động nhiệt độ thay đổi

Tham số địa chất và nhiệt độ xem xét trong một trường hợp điển hình của vùng khí hậu Nam Bộ, Việt Nam

4 PHVƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Phương pháp nghiên cứu của đề tài là kết hợp giữa nghiên cứu tổng quan về lý thuyết, nghiên cứu mô phỏng bằng chương trình máy tính để giải quyết các nội dung của đề tài đề xuất

5 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ TÍNH THựC TIỄN CỦA ĐÈ TÀI

Ý nghĩa của đề tài “Phân tích ảnh hưởng của sự thay đổi nhiệt độ đến ứng suất và biến dạng của cầu toàn khối một nhịp tại Nam Bộ, Việt Nam”:

■S Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng sự thay đổi nhiệt độ ảnh hưởng đáng kể đến ứng suất, biến dạng của mố, móng CTK

s Sự làm việc của kết cấu móng cọc dưới ảnh hưởng của tác động có tính chất chu kỳ như nhiệt độ thay đổi cần được xem xét trong đánh giá ứng suất, biến dạng và tuổi thọ của kết cấu

Nghiên cứu chứng minh việc phân tích tham số CTK bằng sơ đồ tính phần tử hữu hạn 3D có thể dựa trên các tính năng mạnh mẽ của chương trình ANSYS

6 NỘI DUNG ĐÈ TÀI

Nội dung đề tài gồm: phần mở đầu, 3 chương nội dung chính, phần kết luận , phần kiến nghị, phần tài liệu tham khảo và phần phụ lục

PHẦN MỞ ĐẦU:

Nêu lý do chọn đề tài, mục đích nghiên cứu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu, phương pháp nghiên cứu, ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn của đề tài

PHẰN NỘI DUNG CHÍNH:

Chương 1: Giới thiệu đối tượng nghiên cứu, tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu

Chương 2: Tổng quan cơ sở lý thuyết về CTK, mỏi của cọc thép trong CTK, tương tác

giữa mố móng và đất nền dưới tác động của nhiệt độ thay đổi có tính tuần hoàn

Trang 29

-3-

Chương 3: Phân tích tham số nghiên cứu bằng chương trình ANSYS

PHẰN KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ:

Nhận xét, đánh giá và rút ra kết luận về ảnh hưởng của nhiệt độ tác động nhiệt thay đổi,

có xét đến tính chất lặp lại tới ứng suất và biến dạng của mố, móng cọc và dầm Đồng thời đề nghị định hướng nghiên cứu tiếp sau nghiên cứu này

Trang 30

-4-

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VÈ CẦU TOÀN KHÔI

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ

cầu toàn khối (CTK) được manh nha từ cuối của thế kỷ XX, đã trở nên ngày một phổ biến trên thế giới, cầu toàn khối đang được xem xét như là một lựa chọn phù hợp để thay thế một số dạng cầu truyền thống bởi vì những lợi ích về kỹ thuật và kinh tế mà CTK mang lại (Peter Collin

et al, International Workshop on IABs, 2006) Sự ảnh hưởng của nhiệt độ theo ngày, theo mùa lên CTK như là một nguyên nhân gây ra tải trọng chu kỳ do kết cấu biến dạng khi nhiệt độ thay đổi Kết quả này ảnh hưởng đáng kể trong sự tương tác giữa đất-kết cấu của CTK, đặc biệt là

nó có thể gây ra lực lên đất phía sau mố vượt quá giới hạn cho phép, hoặc làm giảm tuổi thọ và phá hoại mỏi cọc móng theo thời gian [ 1 ] [20] [25]

Hình 1 1 CTK được xây dựng tại Nova Scotia, Canada

Bên cạnh đó, sự hiểu biết về ứng xử của kết cấu CTK hiện nay là chưa đầy đủ Điều này

do tính phức tạp của tổng thể CTK và chúng cần được nghiên cứu một cách rõ ràng trong đó cần cân nhắc nghiên cứu sự tương tác giữa đất và kết cấu (Peter Collin et al, International Workshop on IABs, 2006)

Trang 31

-5-

Các sơ đồ tính toán khi đưa vào áp dụng đều kèm theo các giản ước nhất định không thể

bao quát được hết các yếu tố nhiều mặt trong thực tiễn và các số liệu tổng kết từ những công

trình cụ thể cũng không thể đại diện được hết mọi điều kiện thực tiễn Chính vì vậy các kết luận

chưa thể là bao quát chung cho mọi trường hợp

Dựa trên những tài liệu nghiên cứu được, vấn đề mỏi của kết cấu CTK dưới ảnh hường

của nhiệt độ là điều cần được quan tâm, đặc biệt là trong điều kiện nhiệt độ thay đổi phức tạp

Nhiều nghiên cứu nhấn mạnh rằng ứng suất xuất hiện trong cọc đều chịu ảnh hưởng của tính

chất có chu kỳ của nguyên nhân tác động Mặc dù vậy, chưa có nghiên cứu toàn diện nào xem

xét về mối quan hệ giữa mỏi trong cọc CTK và chu kỳ tác động của nhiệt độ trong điều kiện của

Nam Bộ, Việt Nam Kể cả trong tiêu chuẩn thiết kế cầu AASHTO LRFD cũng chưa đề cập đến

trường hợp tải trọng nhiệt trong tổ hợp TTGH về mỏi

Hình 1.2 Dạng CTK một nhịp trên hệ móng cọc một hàng học

Hình 1.3 Dạng CTK một nhịp không sử dụng móng cọc

Trang 32

-6-

1.2 CẦU MỐ TOÀN KHỐI

Đối với cầu truyền thống một nhịp giản đơn cho phép xoay tự do đầu cầu Khe co dãn và gối thuờng đuợc sắp xếp để cho phép biến dạng dọc và đôi khi theo huớng ngang của cây cầu

do sự thay đổi nhiệt độ Khi kết cấu phần trên của CTK đuợc ngàm chặt vào kết cấu phần dưới, tất cả các chuyển vị tịnh tiến và xoay của kết cấu phần trên được truyền tới kết cấu phần dưới

Hình 1 5 Xu thế biến dạng của CTK một nhịp do nhiệt độ thay đổi

Trong biến dạng do nhiệt, mố cầu chuyển dịch vào đất đắp, phản lực của đất tác động lên

mố là áp lực đất bị động Những chuyển vị của kết cấu phần trên bị hạn chế bởi độ cứng của mố cầu và do áp lực đất tác động lên mố cầu Điều này gây ra một sự tương tác của kết cấu phần trên, kết cấu phần dưới và đất xung quanh

Cầu truyền thống cầu toàn khối

Hình 1 4 Bổ trí kết cẩu của cầu truyền thống và CTK

Do nhiệt độ tăng lên Do nhiệt độ giám (hoặc hoạt tái)

Trang 34

HV: Nguyễn Văn Toản MSHV: 7140679

-1-

1.2.1 Thuận lọi và khó khăn của cầu mố toàn khối

Những thuận lợi được đúc kết từ việc xây dựng cầu toàn khối ở các nước khác như: Loại

bỏ hoàn toàn khe biến dạng và gối cầu; đơn giản hóa kết cấu phần dưới; nhanh hơn và đơn giản hóa quá trình xây dựng; giúp thanh mảnh hơn kết cấu phần trên; giảm chiều dài và độ dốc đường dẫn lên cầu; lái xe êm thuận; loại bỏ các chi tiết có vấn đề như khe biến dạng

Tuy nhiên, bên cạnh những yếu tố thuận lợi thì có một số khó khăn như: Tăng lực tương tác giữa đất và mố có thể gây nứt mố; nứt trong kết cấu áo đường phía sau mố dẫn tới nứt bản quá độ; một số vấn đề về ứng suất biến dạng chưa nghiên cứu rõ dưới ảnh hưởng của nhiệt độ; vấn đề liên quan đến thi công trong điều kiện phức tạp

Tổng quan về phương diện thi công, khai thác, CTK được đánh giá là đơn giản, tuy nhiên

do tính đặc thù của tính làm việc “toàn khối” mà khi nghiên cứu sâu các yếu tố ảnh hưởng đến loại công trình này có một số vấn đề khó khăn, đánh giá và không dễ để đưa ra được một thiết

kế nào phù hợp chung cho nhiều điều kiện tự nhiên khác nhau Các vấn đề chủ yếu tác động đến CTK mà cần nghiên cứu đánh giá kỹ lưỡng gồm:

cầu truyền thống Cầu toàn khối

Hình 1 6 Sơ đồ hình học và sơ đồ tỉnh của cầu truyền thống và CTK một nhịp

Trang 36

-8-

- Các tác động liên quan đến môi trường: nhiệt độ, độ ẩm, từ biến, co ngót, lún

- Mối tương tác giữa đất và kết cấu: tương tác giữa đất đầu cầu và tường mố, tương tác giữa đất nền và cọc

- Độ dẻo của kết cấu bên dưới: vấn đề về cọc móng, tỷ lệ độ cứng giữa kết cấu phần trên

và kết cấu phần dưới

- Các phương án về hệ thống móng mố

- Các vấn đề liên quan tới tải trọng có chu kỳ

- Các yếu tố hình học của cầu trên đường: độ chéo, độ cong, độ dốc

- Các vấn đề liên quan đến cấu tạo: liên quan tới liên tục hóa các dầm chủ, cấu tạo tại mố, tường cánh, nền đắp, chốt liên kết, chi tiết phụ trợ,

- Các vấn đề về liên quan đến thi công trong điều kiện phức tạp

1.2.2 Vật liệu của cọc trong cầu toàn khối

Trên quan điểm tạo được độ dẻo tối đa cho hệ mố cầu nên cọc thép được áp dụng rộng rãi trong các CTK ở Hoa Kỳ (tiêu biểu là cọc thép chữ H cánh rộng, ống thép nhồi bê tông) Bên cạnh đó, cọc bê tông cũng được sử dụng nhung không phổ biến bằng cọc thép, chỉ áp dụng khi chuyển dịch ở mố nhỏ (Precast/Prestressed Integral Bridge USA, 2001)

Cọc thép có tính năng phù hợp hơn nhưng vấn đề chống rỉ cho cọc thép là phức tạp và tốn kém hơn nhiều so với cọc bê tông Tuy vậy, việc sử dụng cọc bằng ống thép nhồi bê tông cũng bắt đầu đã áp dụng tại nhiều nước, khi thiết kế cọc cần tính đến chiều dày ăn mòn dự phòng [2] [11],

Vì vậy, vấn đề đưa ra là giải pháp thiết kế nào để đảm bảo cọc không chịu uốn quá mức, trong phạm vi đầu cọc đủ độ dẻo khi uốn, bên cạnh việc đảm bảo điều kiện va đập, xung kích khi thi công đối với cọc đóng Trong một nghiên cứu của Kamel và cộng sự có đề cập đến điều chỉnh bước xoắn cốt đai làm ảnh hưởng tới độ dẻo khi uốn của cọc BTCT DƯL 30x30cm [8]

Trang 37

-9-

i-Tiuvin dklk fin I

Hình 1 7 Kết quả thỉ nghiêm tải trọng/bỉến dạng cho cọc thép và bê tông (Kamel)

1.3 TƯƠNG TÁC GIỮA ĐẤT VÀ MỐ, cọc CẦU TOÀN KHỐI

Mối tương tác giữa đất và móng-mố có ảnh hưởng lớn tới sự làm việc của CTK Đồng thời, đó lại là điều khó dự đoán nhất vì phản lực đất là hàm số không tuyến tính của độ dịch chuyển và hình dáng biến dạng của tường mố Các yếu tố ảnh hưởng đến sự tương tác đất/móng-

mố bao gồm tường mố, cọc và cách bố trí cọc, tường cánh, bản lên cầu, đặc trưng của đất (đầu tiên là độ cứng của đất), độ dịch chuyển tổng cộng, và độ cứng của kết cấu nhịp

Độ dịch chuyển của móng-mố là kết quả của hai tác động: dịch chuyển do nhiệt của kết cấu nhịp và sự dãn nở thể tích cọc có liên quan tới nhiệt độ Dãn dài của cầu đẩy mố dịch chuyển

về phía nền đất đắp, tác động tới áp lực đất lên mố, lên cọc, lên tường mố và tường cánh và làm dịch chuyển bản quá độ

Trang 38

Hình 1 8 Chuyển vị của mổ do tác động của gradient nhiệt và độ lệch tâm giữa áp lực đẩt

và lực dọc trục trong kết cẩu nhịp

Áp lực của đất lên mố là yếu tố luôn đuợc quan tâm nghiên cứu vì nó quyết định sụ chống

đỡ dịch chuyển và xoay chuyển của mố và cũng là thông số để thiết kế tường mố Áp lực đất tính quá lớn là không an toàn, nếu khi thiết kế xét tới tác dụng ngược chiều của áp lực đất đối với mô men do tĩnh tải và hoạt tải gây ra trong kết cấu bên trên Tính quá thấp cũng có thể ảnh hưởng tới độ an toàn của cấu tạo tường mố Vì áp lực đất phụ thuộc và sự biến dạng của tường

mố, phân bố của áp lực trên mố thực chất không phải là tuyến tính như thường giả định để giản đơn hóa thiết kế Nghiên cứu cho thấy để áp lực đất phát huy tới mức hoàn toàn bị động, chuyển dịch tại mố phải đạt tới mức bằng 1—4% chiều cao của tường mố (tùy đặc điểm của đất), cũng

có nghĩa là áp lực đó phụ thuộc vào tỷ lệ da/Ha (da là dộ dịch chuyển và Ha là chiều cao mố) Với chiều cao mố khoảng 2.50m của CTK thông thường và độ dịch chuyển quy định là 2.5cm (da/Ha =1%), đã có khả năng phát sinh áp lực bị động hoàn toàn (Kp) [4],

Khuyến cáo nên hạn chế phát huy áp lực đất ở mức 2/3 mức bị động hoàn toàn để quy định chiều dài hạn chế của cầu và có thể bỏ qua không xét tới áp lực đất trong thiết kế cầu nhiều nhịp và cầu một nhịp ngắn (Burke, 1995) Các nghiên cứu đã tiến hành cho thấy độ cứng của đất là yếu tố ảnh hưởng đáng kể tới áp lực đất lên hệ thống mố Mức độ đầm chặt, tỷ trọng đất

là dấu hiệu về độ cứng của đất Đất

Đọ gì in trên íỉinti > L TỊ- £ Lũn ui đfij

Trang 39

chặt hơn tạo nên sức kháng lớn hơn đối với dịch chuyển do nhiệt và kết quả là phát huy các áp lục lớn lên hệ mố Điều đó cũng tạo nên lực dọc trục lớn hơn lên kết cấu nhịp và độ xoay chuyển lớn hơn của mố từ đó ảnh hưởng tới mô men trong kết cấu nhịp

Mối tương tác đất/cọc cũng tương tự như mối tương tác đất/tường mố, nhưng qua nghiên cứu thấy tương tác đất/cọc có ảnh hưởng nhỏ hơn nhiều khi xét đến hoạt động tổng thể của cầu Bởi vậy tương tác đất/cọc chủ yếu ảnh hường tới ứng suất trong cọc Độ cứng của đất và sự biến dạng của cọc có tác động lớn tới sự phát triển ứng suất, nguy cơ bị mỏi của vật liệu cọc [10][l 1]

Khi mố chịu dịch chuyển ngang, cọc bị uốn cong và sức chịu tải của cọc giảm do một số nguyên nhân: (1) cọc vừa chịu nén vừa chịu uốn làm giảm sức chịu tải của cọc; (2) cọc bị chuyển động có thể ảnh hưởng tới khả năng chịu tải do ma sát Cuối cùng, hệ cọc phải chịu thêm một lực thẳng đứng để đảm bảo ổn định tĩnh học của hệ kết cấu Dãn nở nhiệt tạo ra một lực nằm ngang trong kết cấu nhịp Lực này lệch tâm so với hợp lực áp suất đất làm nảy sinh một mô men lật khiến phát sinh thêm một lực dọc trục trong cọc để cân bằng Lực tăng thêm này, gọi là “tải trọng nhiệt”, có trường hợp chiếm tới 24% tải trọng cọc phải chịu (Franco, 1999)

Múc Jó 1*0« ccnf k"ii vyl Muu iTý-uáiLcuii^ lliiip liiỊH

u> rón cong cua cọc tiunj cál bl uóíi ciHtg cua cọc UKHig đài t-Mi

Trang 40

chuyển tối đa ở mố bằng độ dẻo chịu uốn của hệ móng cọc hoặc khả năng dịch chuyển an toàn của hệ mố mở rộng, đồng thời cũng cần hạn chế độ dịch chuyển tối đa ở mố vào khoảng 25mm khi là móng một hàng cọc và % lần trị số trên (6mm) khi là mố mở rộng (The FHWA Conference, 2005) [20]

1.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG

CTK là một kiểu cầu mới hình thành do sự thay đổi mối liên kết giữa kết cấu phần trên

và kết cấu phần dưới, chính điều này đã phát sinh một số vấn đề kỹ thuật của CTK mà trong đó

có một tồn tại một vài vấn đề chưa được làm rõ Đặc biệt là các vấn đề liên quan đến ứng suất biến dạng của kết cấu cầu phụ thuộc vào sự tương tác giữa đất-kết cấu xem xét trong các điều kiện khác nhau

Một số nghiên cứu báo cáo đã đề cập CTK dưới ảnh hưởng của nhiệt độ thay đổi Hơn nữa, nhiệt độ thay đổi làm tương tác giữa đất-kết cấu CTK cũng thay đổi theo Ngoài ra, ứng suất xuất hiện trong cọc chịu ảnh hưởng của nguyên nhân tác động có tính chất chu kỳ Tuy nhiên, chưa có nghiên cứu toàn diện nào xem xét về mối quan hệ giữa mỏi trong cọc CTK và chu kỳ tác động Kể cả trong tiêu chuẩn thiết kế cầu AASHTO LRFD cũng chưa đề cập đến trường hợp tải trọng nhiệt trong tổ hợp TTGH về mỏi

Định dạng
Số trang	103
Dung lượng	3,43 MB
File đính kèm	0353764719.rar (17 MB)