Nghiên cứu trạng thái ứng suất và biến dạng kết cấu tháp van cống

Tuy nhiên việc xây lại cống mới đặc biệt là tháp van cống trong điều kiện phải đảm bảo an toàn về mặt chống lũ và cấp nước thì gặp nhiều khó khăn: thời gian thi công ngắn trong khoảng th

Trang 1

LỜI CÁM ƠN

Luận văn thạc sĩ:“ Nghiên cứu trạng thái ứng suất và biến dạng kết cấu tháp van cống bê tông cốt thép lắp ghép dự ứng lực” đã được tác giả hoàn thành đảm bảo đầy

đủ các yêu cầu trong đề cương được phê duyệt

Tác giả xin chân thành cảm ơn PGS.TS Nguyễn Cảnh Thái, TS Hồ Sỹ Tâm, Trường Đại học Thuỷ Lợi Hà Nội đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ để tác giả hoàn thành luận văn, và các thầy cô trường Đại học Thuỷ Lợi Hà Nội, các thầy cô trong khoa Công trình đã tận tụy giảng dạy tác giả trong suốt quá trình học tại trường

Tác giả cũng xin gửi cám ơn chân thành đến lãnh đạo cùng đồng nghiệp trong bộ môn Thủy công đã hết sức tạo điều kiện và giúp đỡ tận tình trong suốt thời gian học và hoàn thành luận văn

Tuy đã có những cố gắng song do thời gian có hạn, trình độ bản thân còn hạn chế, luận văn này không thể tránh khỏi những tồn tại, tác giả mong nhận được những ý kiến đóng góp và trao đổi chân thành của các thầy cô giáo, các anh chị em và bạn bè đồng nghiệp Tác giả rất mong muốn những vấn đề còn tồn tại sẽ được tác giả phát triển ở mức độ nghiên cứu sâu hơn góp phần ứng dụng những kiến thức khoa học vào phục vụ đời sống sản xuất

Xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày tháng năm 2015

Học viên

Trần Duy Quân

Trang 2

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đề tài luận văn của tôi hoàn toàn do tôi làm, những kết quả nghiên cứu tính toán trung thực Trong quá trình làm luận văn tôi có tham khảo các tài liệu liên quan nhằm khẳng định thêm sự tin cậy và tính cấp thiết của đề tài Tôi không sao chép từ bất kỳ nguồn nào khác, nếu vi phạm tôi xin chịu trách nhiệm trước Khoa

và Nhà trường

Hà Nội, Ngày tháng năm 2015

Tác giả luận văn

Trần Duy Quân

Trang 3

MỤC LỤC

LỜI CÁM ƠN i

LỜI CAM ĐOAN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH vi

DANH MỤC BẢNG BIỂU x

MỞ ĐẦU 1

I Tính cấp thiết của đề tài: 1

II Mục đích của đề tài: 1

III Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu: 1

IV Kết quả dự kiến đạt được: 2

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH SỬA CHỮA, NÂNG CẤP CỐNG DƯỚI ĐẬP 3

1.1 Khái quát hiện trạng hồ chứa và các sự cố thường gặp ở cống 3

1.1.1 Hiện trạng an toàn hồ chứa ở Việt Nam 3

1.1.2 Các sự cố thường gặp ở cống 4

1.2 Tình hình sửa chữa nâng cấp cống lấy nước ở Việt Nam 7

1.3 Những khó khăn trong việc thi công sửa chữa, xây mới tháp van cống 8

1.4 Đề xuất giải pháp kết cấu bê tông cốt thép lắp ghép ứng suất trước trong thiết kế, thi công tháp van cống 11

1.5 Kết luận chương 1 12

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP ỨNG SUẤT TRƯỚC 13

2.1 Khái quát về kết cấu bê tông cốt thép ứng suất trước và tình hình nghiên cứu, ứng dụng kết cấu bê tông cốt thép ứng suất trước ở Việt Nam 13

2.1.1 Khái quát về kết cấu bê tông cốt thép ứng suất trước 13

2.1.2 Lịch sử nghiên cứu và ứng dụng kết cấu bê tông ứng suất trước trên thế giới .15

2.1.3 Lịch sử nghiên cứu và ứng dụng kết cấu bê tông ứng suất trước ở Việt Nam 18

2.2 Vật liệu và thiết bị dùng cho bê tông cốt thép ứng suất trước 20

Trang 4

2.2.1 Bê tông 20

2.2.2 Cốt thép 21

2.3 Phương pháp tính toán kết cấu bê tông cốt thép ứng suất trước .23

2.3.1 Sự hình thành và phát triển vết nứt ở tiết diện thẳng góc cấu kiện chịu uốn 23

2.3.2 Sự tổn hao ứng suất trước 26

2.3.3 Các phương pháp tính toán kết cấu bê tông cốt thép ứng suất trước 28

2.4 Phương pháp phần tử hữu hạn trong phân tích ứng suất biến dạng kết cấu bê tông cốt thép 31

2.5 Lựa chọn phần mềm tính toán 33

2.6 Các bước mô hình và giải bài toán ứng suất biến dạng bằng phần mềm ANSYS 35

2.7 Các dạng phần tử sử dụng để mô phỏng kết cấu tháp van trong ANSYS 36

2.7.1 Phần tử LINK8 36

2.7.2 Phần tử SOLID45 38

2.7.3 Phần tử SHELL63 41

2.7.4 Cặp phần tử CONTA173-TARGE170 42

CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG KẾT CẤU THÁP VAN LẮP GHÉP ỨNG SUẤT TRƯỚC 43

3.1 Tổng quan 43

3.2 Vị trí bố trí tháp van cống 43

3.3 Các giả thiết trong nghiên cứu 44

3.4 Xây dựng các trường hợp tính toán 46

3.5 Phân tích các hình thức kết cấu tháp van ứng suất trước 47

3.6 Xác định mối quan hệ giữa chiều dày tháp cống và lực kéo cáp yêu cầu 50

3.6.1 Lý luận chung 50

3.6.2 Các ẩn của bài toán 53

3.6.3 Các đặc trưng hình học của tiết diện ngang tháp van 55

3.6.4 Các lực tác dụng lên tháp van cống 55

3.6.5 Kiểm tra độ bền và ổn định của tháp cống 57

3.6.6 Kết quả tính toán 58

Trang 5

CHƯƠNG 4: ÁP DỤNG KẾT CẤU THÁP VAN CỐNG LẮP GHÉP ỨNG SUẤT

TRƯỚC CHO CỐNG VĨNH TRINH – QUẢNG NAM 63

4.1 Giới thiệu về cụm công trình đầu mối hồ chứa nước Vĩnh Trinh 63

4.1.1 Vị trí địa lý 63

4.1.2 Hiện trạng cống lấy nước thời điểm sửa chữa, nâng cấp 64

4.1.3 Giải pháp sửa chữa, nâng cấp cống 65

4.2 Lựa chọn các thông số, hình thức kết cấu tháp cống 71

4.2.1 Lựa chọn vị trí và chiều cao tháp van cống 72

4.2.2 Lựa chọn kích thước tháp van 72

4.2.3 Lựa chọn chiều dày và chiều cao đoạn tháp van 72

4.3 Xác định lực kéo cáp yêu cầu 73

4.3.1 Trường hợp tính toán 73

4.3.2 Tính toán xác định lực kéo cáp yêu cầu 74

4.4 Lựa chọn thông số kỹ thuật của cáp ứng suất trước 74

4.5 Kiểm tra độ bền và ổn định kết cấu tháp van lắp ghép ứng suất trước 76

4.5.1 Trường hợp tính toán 76

4.5.2 Nội dung kiểm tra 76

4.5.3 Các thông số đầu vào 77

4.5.4 Kết quả kiểm tra 78

4.6 Mô hình tính toán bằng phần mềm ANSYS và phân tích kết quả tính toán 78

4.6.1 Mô hình tính toán bằng phần mềm ANSYS 78

4.6.2 Kết quả tính toán 86

4.6.3 Phân tích kết quả 101

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 104

1 Những kết quả đạt được 104

2 Tồn tại và kiến nghị 105

TÀI LIỆU THAM KHẢO 106

PHỤ LỤC TÍNH TOÁN 108

Trang 6

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

Hình 1.1: Tháp van hồ Triệu Thượng - Quảng Trị 4

Hình 1.2: Tháp van hồ Khe Làng - Nghệ An 4

Hình 1.3: Tháp van hồ Chấn Sơn – Quảng Nam 4

Hình 1.4: Khớp nối 2, 3 sau tháp van cống hồ chứa nước Bản Muông – Sơn La bị hỏng .5

Hình 1.5: Cống dẫn dòng hồ Ia Krel 2 bị gãy 5

Hình 1.6: Hiện tượng xâm thực bêtông bên trong cống La Ngà tại vị trí tháp van 6

Hình 1.7: Hiện tượng rò nước qua khe van cống La Ngà 6

Hình 1.8: Thân cống hồ Suối Hai bị xâm thực, dột 6

Hình 1.9: Hiện tượng thấm dọc theo mang cống gây vỡ đập Z20-Hà Tĩnh 7

Hình 1.10: Thi công cống hồ Đồng Sương – Hà Tây 8

Hình 1.11: Biểu đồ biến thiên mực nước hồ và lưu lượng nước yêu cầu tại đầu mối hồ chứa nước La Ngà – Quảng Trị, năm 2014 10

Hình 1.12: Biểu đồ biến thiên mực nước hồ và lưu lượng nước yêu cầu tại đầu mối hồ chứa nước La Ngà – Quảng Trị, tháng 8-9, năm 2014 11

Hình 2.1: Đập trọng lực ứng suất trước .17

Hình 2.2: Một số cấu kiện bê tông cốt thép ứng suất trước 19

Hình 2.3: Sơ đồ ứng suất trên tiết diện thẳng góc giai đoạn I 24

Hình 2.4: Sơ đồ ứng suất trên tiết diện thẳng góc giai đoạn II 25

Hình 2.5: Sơ đồ ứng suất trên tiết diện thẳng góc giai đoạn III 26

Hình 2.6: Sơ đồ ứng suất dùng để tính toán theo phương pháp ứng suất cho phép 28

Hình 2.7: Sơ đồ ứng suất dùng để tính toán theo phương pháp giai đoạn phá hoại 29

Hình 2.8: Giao diện hiển thị phần mềm ANSYS 35

Hình 2.9: Phần tử LINK8 37

Hình 2.10: Phần tử SOLID45 38

Hình 2.11: Sơ đồ các thành phần ứng suất của phần tử SOLID45 39

Hình 2.12: Sơ đồ hình dạng hình học, hệ tọa độ phần tử SHELL63 41

Hình 2.13: Ứng suất đầu ra phần tử SHELL63 41

Hình 3.1: Sơ đồ bố trí tháp van cống ngầm dưới thân đập 44

Hình 3.2: Sơ đồ hình học tháp van lắp ghép ứng suất trước 46

Trang 7

Hình 3.3: Mặt bằng tháp van lắp ghép ứng suất trước 46

Hình 3.4: Sơ đồ nối tiếp các đoạn tháp van cống dạng phẳng 48

Hình 3.5: Sơ đồ bố trí nối tiếp các đoạn tháp van dạng khớp âm dương mố vuông 48

Hình 3.6: Sơ đồ bố trí nối tiếp các đoạn tháp van dạng khớp âm dương mố vát 49

Hình 3.7: Sơ đồ bố trí nối tiếp các đoạn tháp van dạng khớp âm dương trên toàn cạnh .50

Hình 3.8: Sơ đồ bố trí tháp van cống ở vị trí II 51

Hình 3.9: Sơ đồ tính toán khi tháp van cống ở vị trí II, TH1, 2, 3 51

Hình 3.10: Sơ đồ bố trí tháp van cống ở vị trí III 51

Hình 3.11: Sơ đồ tính toán khi tháp van cống ở vị trí III, TH1, 2, 3 52

Hình 3.12: Sơ đồ tính toán khi tháp van cống, TH4 52

Hình 3.13: Các kích thước cơ bản của tháp van cống 53

Hình 3.14: Biểu đồ quan hệ giữa Tyc – t, trường hợp B=2,0m x L=2,0m, tháp van bố trí ở vị trí II 59

Hình 3.15: Biểu đồ quan hệ giữa Tyc – t, trường hợp B=2,0m x L=2,0m, tháp van bố trí ở vị trí III 60

Hình 3.16: Biểu đồ quan hệ giữa Tyc – t, B=3,8m x L=4,0m, H = 25m, TH4 61

Hình 4.1: Vị trí địa lý hồ chứa nước Vĩnh Trinh 63

Hình 4.2: Bong tróc trần cống, thấm qua thân cống 64

Hình 4.3: Thấm qua thân cống 65

Hình 4.4: Biểu đồ biến thiên mực nước hồ và lưu lượng nước yêu cầu tại đầu mối hồ chứa nước Vĩnh Trinh – Quảng Nam, năm 2014 70

Hình 4.5: Biểu đồ biến thiên mực nước hồ và lưu lượng nước yêu cầu tại đầu mối hồ chứa nước Vĩnh Trinh – Quảng Nam, tháng 8,9 - năm 2014 .71

Hình 4.6: Các phần tử mặt PLANE42 để tạo khối các đoạn tháp van 79

Hình 4.7: Mô hình phần tử một đoạn tháp van TH1 79

Hình 4.8: Mô hình hình học tháp van TH1 80

Hình 4.9: Mô hình các phần tử tháp van TH1 80

Hình 4.10: Gán phần tử tiếp xúc và bó cáp ứng suất trước TH1 81

Hình 4.11: Gán liên kết tai đáy tháp van và gia tốc trong trường TH1 81

Hình 4.12: Gán các điều kiện biên tải trọng TH1 82

Trang 8

Hình 4.15: Mô hình các điều kiện biên TH2 83

Hình 4.18: Mô hình các điều kiện biên TH3 85

Hình 4.19: Mô hình phần tử mô tả vật liệu thép TH3 85

Hình 4.20: Sơ đồ bố trí mặt cắt xuất kết quả 86

Hình 4.21: Phổ chuyển vị theo phương y (UY) tháp van cống, TH1 87

Hình 4.24: Phổ ứng suất SY tháp van cống, TH1 88

Hình 4.27: Biểu đồ chuyển vị theo phương Y (UY) trên mặt cắt 1-1, TH1 90

Hình 4.30: Biểu đồ ứng suất theo phương Y (SY) trên mặt cắt 1-1, TH1 91

Trang 9

Hình 4.46: Biểu đồ chuyển vị theo phương Y (UY) trên mặt cắt 4-4, TH3 99 Hình 4.47: Biểu đồ ứng suất theo phương Y (SY) trên mặt cắt 4-4, TH1 100 Hình 4.48: Biểu đồ ứng suất theo phương Y (SY) trên mặt cắt 4-4, TH3 100

Trang 10

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1: Bảng quy định sử dụng cấp độ bền với bê tông trong kết cấu 21

ứng suất trước 21

Bảng 2.2: Đặc tính của tao thép xoắn 7 sợi không vỏ bọc theo ASTM A416 22

Bảng 2.3: Bảng tổng hợp các loại tổn hao ứng suất 27

Bảng 2.4: Bảng độ lớn tổn hao ứng suất trước ước tính (%) 27

Bảng 2.5: Số liệu đầu vào của phần tử LINK8 37

Bảng 2.6: Số liệu đầu ra của phần tử LINK8 37

Bảng 2.7: Số liệu đầu vào của phần tử SOLID45 38

Bảng 2.8: Số liệu đầu ra của phần tử SOLID45 40

Bảng 3.1: Bảng tổng hợp các trường hợp tính toán 47

Bảng 3.2: Bảng hệ số động đất 55

Bảng 3.3: Bảng quan hệ giữa Tyc – t, trường hợp B=2,0m x L=2,0m, tháp van bố trí ở vị trí II 58

Bảng 3.4: Bảng quan hệ giữa Tyc – t, trường hợp B=2,0m x L=2,0m, tháp van bố trí ở vị trí III 59

Bảng 3.5: Bảng quan hệ giữa Tyc – t, B=3,8m x L=4,0m, H = 25m, TH4 60

Bảng 4.1: Bảng thông số cơ bản hồ chứa nước Vĩnh Trinh 66

Bảng 4.2: Bảng tổng hợp thông số để chọn cáp thép 75

Bảng 4.3: Kết quả kiểm tra ổn định và độ bền tháp van cống TH1 78

Trang 11

MỞ ĐẦU

I Tính cấp thiết của đề tài:

Việt Nam hiện có 6648 hồ chứa đang đưa vào khai thác sử dụng [21], phần lớn

số đó được xây dựng từ trước những năm 60-80 của thế kỷ XX và thi công theo phương pháp thủ công Một số lượng lớn các hồ này qua thời gian làm việc đã xuống cấp nghiêm trọng, có nhiều biểu hiện hư hỏng [22,23,24,25] Trong số các biểu hiện

hư hỏng, một số lượng lớn các biểu hiện xuất hiện tại cống lấy nước nói chung và tháp van cống lấy nước nói riêng, đòi hỏi phải sửa chữa, nâng cấp để đáp ứng yêu cầu an toàn hiện tại Một tỷ lệ lớn các cống này hoặc là đã xuống cấp nghiêm trọng, hoặc có kích thước quá nhỏ không thể sửa chữa mà bắt buộc phải làm mới (ví dụ như: công Vĩnh Trinh, cống Yên Đồng, cống Đồng Sương…) Tuy nhiên việc xây lại cống mới đặc biệt là tháp van cống trong điều kiện phải đảm bảo an toàn về mặt chống lũ và cấp nước thì gặp nhiều khó khăn: thời gian thi công ngắn trong khoảng thời gian cuối mùa kiệt đến đầu mùa mưa để đảm bảo kéo dài thời gian cấp nước, đắp đập vượt lũ và tích nước phục vụ tưới cho năm sau; phương pháp thi công truyền thống đối với tháp cống là phân chia khoảnh đổ theo phương đứng, chờ cho khoảnh

đổ bê tông dưới đủ cường độ mới thi công khoảnh đổ bên trên làm thời gian thi công kéo dài… Do đó, việc áp dụng giải pháp kết cấu đúc sẵn lắp ghép ứng suất trước cho tháp cống sẽ giúp giảm thiểu thời gian thi công tháp cống, đáp ứng yêu cầu về tiến

độ thi công Để giải pháp này được áp dụng trong thực tiễn cần rất nhiều nghiên cứu liên quan Và để từng bước hiện thực hóa ý tưởng này, tác giả chọn đề tài nghiên cứu trạng thái ứng suất và biến dạng của tháp cống dạng lắp nghép dự ứng lực để giải quyết trong nội dung luận văn này

II Mục đích của đề tài:

Trên cơ sở phân tích ứng suất và biến dạng của kết cấu tháp van cống bằng bê tông cốt thép thi công lắp ghép ứng suất trước để tìm ra kích thước các mô đun tháp cống, lực căng tạo ứng suất trước… hợp lý phục vụ cho việc thiết kế cũng như thi công tháp van cống lấy nước

III Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu:

Các mục đích của đề tài sẽ đạt được dựa trên các phương pháp nghiên cứu sau: + Phương pháp phân tích, thống kê;

+ Phương pháp nghiên cứu lý thuyết;

Trang 12

+ Phương pháp kế thừa: Áp dụng các công nghệ đã được dùng cho các lĩnh vực xây dựng khác

+ Phương pháp mô hình: Mô phỏng bằng phương pháp phần tử hữu hạn

IV Kết quả dự kiến đạt được:

+ Hiểu biết sâu thêm về trạng thái ứng suất và biến dạng của kết cấu tháp van công bê tông cốt thép thi công theo phương pháp lắp ghép ứng suất trước;

+ Theo điều kiện chịu lực, xác định được kích thước mỗi mô đun thi công và lực kéo căng cáp hợp lý;

+ Áp dụng tính toán cho một công trình cụ thể

Trang 13

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH SỬA CHỮA, NÂNG CẤP

CỐNG DƯỚI ĐẬP

1.1 Khái quát hiện trạng hồ chứa và các sự cố thường gặp ở cống

1.1.1 Hiện trạng an toàn hồ chứa ở Việt Nam

Việt Nam là nước nông nghiệp có nhiều hồ chứa thủy lợi Hiện cả nước có khoảng 6.648 hồ chứa nước thủy lợi các loại [21] trong đó dung tích từ 10 triệu m3 trở lên có 103 hồ, dung tích từ 3 đến 10 triệu m3 có 152 hồ, dung tích dưới 3 triệu m3 có 6.393 hồ Trong số khoảng 6648 hồ chứa này, phần lớn hồ chứa có đầu mối là đập bằng vật liệu địa phương có công trình lấy nước dạng cống ngầm Đa phần các hồ chứa thủy lợi đã được xây dựng từ lâu, và đã xuất hiện biểu hiện hư hỏng xuống cấp

Về thực trạng hồ chứa nước, các hồ dung tích trữ từ 10 triệu m3 nước trở lên cơ bản bảo đảm an toàn trong mùa mưa lũ năm 2012; 11 hồ có dung tích từ 3 đến 10 triệu

m3 nước đang bị hư hỏng cần được lưu ý; đáng quan tâm nhất là các hồ có dung tích nhỏ hơn 3 triệu m3 nước, do số lượng công trình bị hư hỏng rất lớn, một số bị hư hỏng nghiêm trọng và chủ đập không đủ năng lực quản lý (chủ đập là UBND xã) Các địa phương có nhiều nhiều hồ chứa bị hư hỏng gồm Hòa bình, Yên Bái, Bắc Giang, Thanh Hóa, Nghệ An, Hà Tĩnh, Đắc Lắc, Đắc Nông, vv

Nguyên nhân dẫn đến nguy cơ mất an toàn hồ chứa vừa và nhỏ thì có nhiều nguyên nhân như: mô hình thủy văn dòng chảy (dòng chảy năm, dòng chảy lũ) không còn phù hợp với tình hình hiện tại đặc biệt trong điều kiện biến đổi khí hậu và việc chặt phá rừng đầu nguồn; các đập được xây dựng trong điều kiện khó khăn, phương pháp thi công thủ công, trình độ thi công nhiều hạn chế dẫn đến chất lượng đập chưa đảm bảo yêu cầu an toàn; trong quản lý vận hành thì hầu hết các hồ chứa vừa và nhỏ

do các hợp tác xã, ủy ban nhân dân xã không có các cán bộ có chuyên môn chuyên ngành phù hợp chịu trách nhiệm quản lý, vận hành

Trong số những nguyên nhân dẫn đến mất an toàn hồ chứa, thì có một số không nhỏ các hồ bị mất an toàn do cống lấy nước xuống cấp Ở Việt Nam đã có một số hồ chứa bị vỡ hoặc nguy cơ vỡ do nhóm nguyên nhân này gây ra như: Hồ Ia Krel 2 gãy cống dẫn dòng dẫn đến vỡ đập, hồ Suối Hai thân cống bị mục ảnh hưởng đến khả năng làm việc và an toàn hồ, hồ Bản Muông hỏng khớp nối cống gây ra biến hình thấm đặc biệt ảnh hưởng đến an toàn đập…

Trang 14

sự cố ở thân đập làm ảnh hưởng đến an toàn hồ chứa Một số sự cố thường gặp ở cống gây ảnh hưởng đến an toàn hồ đập gồm:

+ Tháp cống bị nghiêng do tháp cống đặt trên nền không thuần nhất, hoặc biện pháp xử lý nền không tốt, khảo sát chưa kỹ dẫn đến lún không đều; hoặc tháp cống thiết kế ban đầu thô sơ, không đáp ứng yêu cầu làm việc và an toàn trong điều kiện hiện tại như tháp van cống hồ Triệu Thượng – Quảng Trị [24] (hình 1.1), Khe Làng – Nghệ An [22] (hình 1.2), Chấn Sơn – Quảng Nam [23] (hình 1.3)…

Hình 1.1: Tháp van hồ Triệu Thượng -

Trang 15

+ Hỏng các khớp nối do nhiều nguyên nhân khác nhau như: địa chất nền xấu, biện pháp xử lý không phù hợp gây lún không đều; việc phân đoạn cống và bố trí khớp nối không hợp lý hoặc khớp nối thiết kế không phù hợp, thi công không đảm bảo chất lượng…Năm 2013 hồ Bản Muông ở Sơn La bị hỏng khớp nối gây xói rỗng thân đập làm mái thượng lưu đập bị sụt lún [25]

Trang 16

nhiều cống đặc biệt là các cống có chế độ chảy là chảy không áp, xảy ra nước nhảy trong cống

Hình 1.6: Hiện tượng xâm thực bêtông bên

trong cống La Ngà tại vị trí tháp van

Hình 1.7: Hiện tượng rò nước qua khe

van cống La Ngà

+ Thân cống bị dột, mục do chiều dày, mác bê tông không đủ điều kiện chống thấm xuyên thủng, điều kiện chống thấm không đảm bảo Hiện tượng này xảy ra ở nhiều hồ chứa, đặc biệt là các hồ đã xây dựng từ lâu chất lượng bê tông thân cống giảm Cống của hồ Vĩnh Trinh – Quảng Nam, Suối Hai – Sơn Tây [19] (hình 1.8), Bản Muông – Sơn La… xảy ra hiện tượng này

Hình 1.8: Thân cống hồ Suối Hai bị xâm thực, dột

+ Xuất hiện dòng thấm chảy dọc theo mang cống gây hiện tượng xói tiếp xúc tại phần tiếp giáp giữa đất và thân cống nguyên nhân do thi công chống thấm khống đảm bảo như sự cố ở đập Z20 – Hà Tĩnh [19], không có tầng lọc đặt cuối cống để đảm bảo

an toàn…

Trang 17

Hình 1.9: Hiện tượng thấm dọc theo mang cống gây vỡ đập Z20-Hà Tĩnh

1.2 Tình hình sửa chữa nâng cấp cống lấy nước ở Việt Nam

Ở Việt Nam, một số lượng lớn các hồ chứa thủy lợi được xây dựng từ những năm 50-80 của thế kỷ XX nhằm phục vụ phát triển nông nghiệp, xây dựng xã hội chủ nghĩa Để phục vụ lấy nước, dưới thân đập bố trí cống ngầm với hình thức chủ yếu là cống ngầm chảy không áp, có tháp van phía thượng lưu để điều tiết lưu lượng, kết cấu cống là cống hộp bằng bê tông cốt thép Sau thời gian dài làm việc do nhiều nguyên nhân khác nhau nhiều cống xảy ra các hiện tượng như thân cống bị mục, dột chất lượng giảm; bê tông thân cống bị xâm thực đặc biệt tại gần vị trí xảy ra nước nhảy; cống bị rò rỉ mất nước…Để khắc phục sự xuống cấp của các đầu mối hồ chứa, nâng cao khả năng phục vụ cũng như đảm bảo sự làm việc an toàn của công trình, các dự án sửa chữa, nâng cấp công trình được tiến hành Trong các nội dung sửa chữa nâng cấp thì rất nhiều các dự án có hạng mục công việc là sửa chữa cống cũ hoặc xây dựng cống mới thay thế cống cũ Một số dự án sửa chữa nâng cấp trong đó có sửa chữa cống như: + Sửa chữa cống Vĩnh Trinh – Quảng Nam, năm 2007: sửa chữa, nâng cấp cống Đông và cống Tây thân cống bị xâm thực mạnh, thay đổi từ cống hộp bằng bê tông cốt thép chảy không áp về cống thép bọc bê tông cốt thép tròn chảy có áp [14];

+ Sửa chữa cống hồ Đồng Sương – Hà Tây, năm 2008 (hình 1.9): sửa chữa cống

bị hư hỏng, thay đổi từ cống hộp bằng bê tông cốt thép chảy không áp về cống thép bọc bê tông cốt thép tròn chảy có áp [13];

Trang 18

Hình 1.10: Thi công cống hồ Đồng Sương – Hà Tây

+ Sửa chữa cống Đăk Uy – Kon Tum, năm 2012: Sửa chữa cống bị hư hỏng, thay đổi từ cống hộp bằng bê tông cốt thép chảy không áp về cống thép bọc bê tông cốt thép tròn chảy có áp [12];

+ Sửa chữa cống Bản Muông – Sơn La, năm 2014: Sửa chữa, làm lại khớp nối cống, xử lý bê tông thân cống bị xâm thực, mục [25]…;

1.3 Những khó khăn trong việc thi công sửa chữa, xây mới tháp van cống

Hiện nay, việc thi công sửa chữa, nâng cấp cũng như xây mới cống ngầm trong ngành thủy lợi thường được tiến hành theo công nghệ thi công bê tông cốt thép truyền thống Quá trình thi công nhìn chung gồm 4 công tác chính:

+ Công tác cốt thép: Tiến hành lắp dựng cốt thép theo đúng thiết kế

+ Công tác ván khuôn: Tiến hành lắp dựng ván khuôn để đổ bê tông theo đúng hình dạng thiết kế

+ Công tác bê tông: Tiến hành trộn bê tông, vận chuyển, đổ và đầm bê tông vào các bộ phận của cống

+ Công tác bảo dưỡng và dưỡng hộ bê tông: Tiến hành các biện pháp bảo dưỡng

bê tông để bê tông có thể phát triển cường độ bình thường, không phát sinh các khe nứt do chênh lệch nhiệt độ và độ ẩm

Đối với thi công thân cống, toàn bộ quá trình thi công được thực hiện dưới thấp, mặt bằng để bố trí thi công thân cống rộng hơn nhiều so với thi công tháp cống Những đặc điểm này cho phép chúng ta thực hiện các công tác ván khuôn, cốt thép, bê tông, dưỡng hộ có thể tiến hành dễ dàng hơn so với các khoảnh đổ trên cao Bên cạnh

Trang 19

đó, do mặt bằng thi công rộng, cũng cho phép bố trí các khoảnh đổ một cách hợp lý,

để nâng cao cường độ thi công, rút ngắn thời gian thi công Ngoài ra, trong trường hợp sửa chữa nâng cấp bằng giải pháp bố trí thi công từ hạ lưu cống lên có thể tận dụng một phần thân đập phía thượng lưu chưa đào móng để bắt đầu thi công sớm Như vậy,

về mặt kỹ thuật thi công, tiến độ và cường độ thi công thân cống theo phương pháp thi công truyền thống dễ dàng được đáp ứng nếu bố trí thi công hợp lý

Khi thi công tháp van cống ngầm, người ta thường chia tháp van cống ngầm thành các khoảnh đổ theo phương đứng Với mỗi khoảnh đổ, sau khi tiến hành tất cả các công tác cốt thép, ván khuôn, bê tông, dưỡng hộ chờ cho khoảnh đổ bên dưới đủ cường độ mới tiến hành các công tác tiếp theo để thi công các khoảnh đổ phía trên Việc thi công theo trình tự như trên, khiến thời gian thi công tháp van cống ngầm kéo dài, đặc biệt là các cống ngầm ngầm lớn, tháp van cao

Tuy nhiên, đối với các dự án sửa chữa và nâng cấp cống, không những phải đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật thi công, lại vừa phải đảm bảo các yêu cầu về mặt khai thác, cấp nước cho các ngành dùng nước, yêu cầu đắp đập vượt lũ Bên cạnh đó để đảm bảo chất lượng bê tông, mọi công tác phải tiến hành trong điều kiện khô ráo, không bị ngập nước Theo đó, thời gian để thi công sửa chữa cống thường phải tiến hành trong thời gian rất ngắn của mùa kiệt và khi nhu cầu dùng nước phía hạ du hạn chế và mực nước trong hồ thấp để khối lượng các công trình tạm, công trình phục vụ thi công như đê quai ngăn dòng giảm và ít ảnh hưởng đến các hộ dùng nước Quá trình thi công sửa chữa cống phải hoàn thành trước mùa lũ để có thể tích nước cho các ngành dùng nước trong mùa thiếu nước và đảm bảo an toàn chống lũ Ngoài ra, nếu quá trình thi công kéo dài sang mùa mưa, công tác đắp đất bù lại vào thân đập phía trên cống sẽ gặp nhiều khó khăn do đất thường xuyên bị bão hòa nước

Hình 1.10 thể hiện sự biến thiên mực nước hồ và lưu lượng nước yêu cầu tại đầu mối để đảm bảo nhu cầu dùng nước bình quân tháng của hồ chứa nước La Ngà – huyện Vĩnh Linh tỉnh Quảng Trị [27] Hiện nay cống lấy nước của hồ chứa nước La Ngà cũng đang bị xâm thực, rò rỉ nước nghiêm trọng đang đề xuất dự án hoành triệt cống cũ, xây mới cống Từ biểu đồ hình 1.10 ta thấy, về mặt cấp nước, quá trình phá

bỏ cống cũ, thi công cống mới nên được tiến hành vào khoảng từ đầu tháng 9 đến tháng 12, vì trong khoảng thời gian này không có nhu cầu cấp nước tại đầu mối Do vậy, khi ngừng cấp nước do thi công sẽ không gây ảnh hưởng đến tình hình sản xuất,

Trang 20

đời sống, xã hội khu vực hạ du Tuy nhiên, để giảm khối lượng công trình thi công như

đê quây, công tác bơm nước hố móng, cũng như phòng lũ và tích nước vào hồ khi mùa mưa đến, quá trình thi công nên được tiến hành vào cuối mùa kiệt, tức là trong khoảng

từ tháng 8 đến tháng 9 Khi thi công trong thời gian này cao trình đê quai chỉ cần cao khoảng +12m, kết hợp công tác bơm nước hố móng là có thể thi công cống được Ngoài ra, quá trình thi công nếu càng về sau sẽ càng bất lợi, vì khi bắt đầu mùa mưa Bên cạnh đó, khoảng thời gian để tích nước vào hồ sẽ ngắn lại, làm hồ có nguy cơ không tích đủ dung tích để tưới cho năm sau

Lưu lượng nước dùng bình quân tháng m

Hình 1.11: Biểu đồ biến thiên mực nước hồ và lưu lượng nước yêu cầu tại đầu mối hồ

chứa nước La Ngà – Quảng Trị, năm 2014

Hình 1.11 thể hiện sự biến thiên mực nước hồ và lưu lượng nước yêu cầu tại đầu mối để đảm bảo nhu cầu dùng nước bình quân tháng của hồ chứa nước La Ngà – huyện Vĩnh Linh tỉnh Quảng Trị Mực nước hồ thấp nhất vào ngày 25/8 sau đó tăng dần, lưu lượng nước yêu cầu qua cống bằng không từ ngày 26/8 Từ những phân tích trên, đối với hồ La Ngà, khoảng thời gian để thi công hợp lý nhất nên bắt đầu từ ngày 25/8 hoặc trước một số ngày và hoàn thành trước trung tuần tháng 9 Quá trình thi công xong càng sớm càng dễ dàng đảm bảo các yêu cầu về phòng chống lũ và tích nước vào hồ

Trang 21

17/08/2014

21/08/2014

25/08/2014

29/08/2014

02/09

/2014

06/09/2014 10/09

/2014

14/09/2014 18/09/2014

22/09/2014

26/09/2014

30/09/2014

Lưu lượng nước yêu cầu tại đầu mối bình quân ngày

Hình 1.12: Biểu đồ biến thiên mực nước hồ và lưu lượng nước yêu cầu tại đầu mối hồ

chứa nước La Ngà – Quảng Trị, tháng 8-9, năm 2014

Ngoài cống của hồ chứa nước La Ngà, yêu cầu về mặt thời gian thi công sửa chữa, nâng cấp xây mới đối với những cống khác hoàn toàn tương tự Như vậy, để đảm bảo ít ảnh hưởng đến tất cả các yêu cầu về mặt cấp nước, tích nước vào hồ, chống

lũ và thi công trước mùa mưa, thời gian thi công sửa chữa, xây mới cống đòi hỏi phải hoàn thành trong khoảng 10-20 ngày cuối mùa kiệt, đầu mùa mưa Tùy quy mô của cống, thời gian thi công có thể ít hơn hoặc nhiều hơn con số trên một chút Tuy nhiên, theo công nghệ thi công bê tông cốt thép, việc thi công cống trong khoảng thời gian ngắn như vậy dường như không khả thi Do đó cần một giải pháp công nghệ khác để rút ngắn thời gian thi công sửa chữa cống ngầm và đặc biệt là tháp van cống ngầm

1.4 Đề xuất giải pháp kết cấu bê tông cốt thép lắp ghép ứng suất trước trong thiết kế, thi công tháp van cống

Để rút ngắn thời gian thi công sửa chữa cống ngầm, đặc biệt là tháp van cống ngầm, tác giả nghiên cứu giải pháp kết cấu bê tông cốt lắp ghép ứng suất trước Về mặt lý thuyết, giải pháp kết cấu bê tông cốt thép lắp ghép ứng suất trước căng sau có thể áp dụng để thiết kế, thi công cả thân cống và tháp cống Tuy nhiên, do thi công thân cống dễ dàng hơn nhiều so với tháp cống và yêu cầu về cường độ thi công thân

Trang 22

cống dễ dàng đáp ứng được bằng việc bố trí mặt bằng, các khoảnh đổ thi công, trình tự thi công một cách hợp lý Mặt khác, giải pháp kết cấu bê tông cốt thép ứng suất trước lắp ghép cũng có một số yêu cầu về kỹ thuật thi công, vật liệu thi công, trình độ nhân công thi công cao hơn phương pháp thi công truyền thống

Từ những lý do trên, thân cống vẫn chọn hình thức và kết cấu theo phương pháp thi công bê tông cốt thép truyền thống Tháp van cống áp dụng giải pháp giải pháp kết cấu bê tông cốt thép ứng suất trước lắp ghép Theo giải pháp này, toàn bộ tháp van sẽ được chia thành các mô đun và được đúc trong nhà máy hoặc tại bãi đúc ở hiện trường Sau khi các công tác hố móng hoàn thành, các mô đun sẽ được vận chuyển từ nhà máy đến công trường để lắp dựng Quá trình lắp dựng hoàn thành sẽ tiến hành kéo cáp tạo ứng suất trước trong kết cấu tháp van lắp ghép

Quá trình thiết kế và thi công tháp van theo kết cấu lắp ghép nhất thiết phải kết hợp với giải pháp kết cấu ứng suất trước căng sau trên hiện trường Nguyên nhân là do tháp van cống là kết cấu theo phương đứng nhưng khi làm việc lại chịu các lực bất lợi gây mất ổn định theo phương ngang Kết cấu tháp van lắp ghép sẽ cho phép giảm thiểu thời gian thi công trên công trường, qua đó khắc phục được những khó khăn do thi công tháp van theo phương pháp truyền thống như đã đề cập ở trên Tuy nhiên, tháp van là kết cấu chịu lực theo phương ngang, ngoài trọng lượng bản thân giúp duy trì ổn định đoạn tháp van cống, mỗi đoạn tháp van cống còn chịu các lực xô ngang gây mất

ổn định Vì vậy, chúng ta phải sủa dụng ứng suất trước trong kết cấu tháp van để giữ

ổn định từng đoạn tháp van cống cũng như tổng thể tháp van

1.5 Kết luận chương 1

Trong tình hình các đập hồ chứa vừa và nhỏ, được xây dựng và đưa vào sử dụng được khoảng 30 – 50 năm đang xuống cấp Nhu cầu sửa chữa, nâng cấp hồ đập nói chung và cống ngầm nói riêng là rất lớn Thi công sửa chữa, nâng cấp, xây mới các cống ngầm dưới thân đập, đặc biệt là tháp van cống ngầm theo phương pháp thi công

bê tông cốt thép truyền thống gặp một số khó khăn Do vậy nếu giải pháp kết cấu bê tông cốt thép ứng suất trước lắp ghép áp dụng cho tháp van cống ngầm thành công sẽ

là một phương án để giải quyết những tồn tại trong việc thi công tháp van cống theo công nghệ thi công bê tông cốt thép truyền thống với những dự án sửa chữa, nâng cấp cống ngầm dưới thân đập

Trang 23

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT

THÉP ỨNG SUẤT TRƯỚC

2.1 Khái quát về kết cấu bê tông cốt thép ứng suất trước và tình hình nghiên cứu, ứng dụng kết cấu bê tông cốt thép ứng suất trước ở Việt Nam

2.1.1 Khái quát về kết cấu bê tông cốt thép ứng suất trước

Bê tông là vật liệu có tính giòn, cường độ chịu kéo kém hơn nhiều so với cường

độ chịu nén Để khắc phục nhược điểm này của vật liệu bê tông người ta đưa những thanh thép có cường độ chịu kéo tốt hơn vào vùng chịu kéo trong khối bê tông Từ đó hình thành nên vật liệu bê tông cốt thép Tuy nhiên với vật liệu bê tông cốt thép, các vết nứt trong khối bê tông vẫn xuất hiện khá sớm ngay cả khi ứng suất kéo còn khá nhỏ Các vết nứt này làm giảm chiều cao làm việc, mô đun chống uốn của kết cấu Ngoài ra các vết nứt xuất hiện sẽ làm cho cốt thép trong khối bê tông tăng nguy cơ bị xâm thực, bị gỉ, đặc biệt trong những môi trường có tính xâm thực, dần dần làm cho kết cấu bị phá hoại Trong các công trình thủy lợi, thì ngoài điều kiện chịu lực của kết cấu, người thiết kế còn phải đặt ra vấn đề chiều dày của kết cấu phải lớn hơn một giá trị giới hạn để Gradient của dòng thấm không xuyên thủng kết cấu; vết nứt nếu có xuất hiện cũng phải khống chế độ mở nhất định để cốt thép trong khối bê tông không bị hoen gỉ, xâm thực

Để khắc phục nhược điểm của kết cấu bê tông cốt thép thông thường, trước khi đưa kết cấu bê tông cốt thép vào sử dụng, người ta tạo ra một ứng suất nén ban đầu trong kết cấu để sau khi chịu tải trọng, kết cấu này sẽ làm triệt tiêu một phần hoặc toàn

bộ ứng suất kéo trong kết cấu, nhờ đó loại trừ khả năng xuất hiện vết nứt Kết cấu này được gọi là kết cấu bê tông ứng suất trước hay bê tông dự ứng lực, bê tông tiền chế Ngày nay, kết cấu bê tông ứng suất trước ngày càng được ứng dụng nhiều trên thế giới

và ở Việt Nam vì kết cấu này có một số ưu điểm so với kết cấu bê tông cốt thép thông thường [10]:

- Kết cấu bê tông cốt thép ứng suất trước có khả năng chống uốn, độ cứng lớn hơn so với kết cấu bê tông cốt thép thông thường cùng kích thước, vì thế có thể hạn chế được độ võng, cho phép chế tạo các kết cấu có nhịp lớn hơn;

- Kết cấu bê tông cốt thép ứng suất trước sử dụng bê tông cường độ cao và cốt thép cường độ cao nên có thể làm cấu kiện mảnh và nhẹ hơn so với cấu kiện bê tông

Trang 24

cốt thép thông thường Do việc giảm trọng lượng bản thân sẽ giảm bớt tải trọng thiết

kế và chi phí móng

- Ứng suất nén ban đầu trong kết cấu bê tông cốt thép ứng suất trước làm cho sau khi đưa vào sử dụng ứng suất nén chính trong kết cấu được giảm nhỏ, nhờ đó mà khả năng chịu cắt cao hơn, hạn chế được sự hình thành và phát triển vết nứt so với kết cấu

bê tông cốt thép thông thường;

- Do kết cấu bê tông cốt thép ứng suất trước hạn chế được nứt nên khả năng chống thấm, chống xâm thực, tuổi thọ cao hơn;

- Công trình sử dụng kết cấu bê tông cốt thép ứng suất trước có khả năng chịu lửa, độ bền mỏi cao;

- Kết cấu bê tông cốt thép ứng suất trước đặc biệt là những cấu kiện được sản xuất trong nhà mày thì việc kiểm soát về chất lượng dễ dàng hơn

Bên cạnh những ưu điểm trên kết cấu bê tông cốt thép ứng suất trước cũng tồn tại một số hạn chế:

- Để thi công kết cấu bê tông cốt thép ứng suất trước đòi hỏi phải có các vật liệu thiết bị chuyên dụng như neo, ống gen, vữa bơm… (với kết cấu bê tông ứng suất trước căng sau) hay bộ neo công cụ, bệ căng…(với kết cấu bê tông ứng suất trước căng trước)

- Nhân công thi công kết cấu bê tông cốt thép ứng suất trước đòi hỏi có trình độ cao hơn so vơi công nhân thi công thông thường

- Công tác kiểm soát chất lượng đối với kết cấu bê tông cốt thép ứng suất trước đòi hỏi cao hơn kết cấu thông thường Ngoài ra việc tạo ứng suất ban đầu có thể làm cấu kiện bê tông cốt thép ứng suất trước bị phá hoại cục bộ tại một số vùng

Hiện nay có một số cách phân loại kết cấu bê tông cốt thép ứng suất trước sau: Theo cách thời điểm tạo ra ứng suất trước, kết cấu bê tông cốt thép ứng suất trước phân thành hai loại là bê tông ứng suất trước căng trước và bê tông ứng suất trước căng sau Để tạo ứng suất ban đầu trong kết cấu bê tông ứng suất trước căng trước, người ta tiến hành căng cốt thép trước khi đổ bê tông Sau khi bê tông đạt đến cường độ thích hợp thì buông cốt thép căng, do tính đàn hồi của cốt thép cốt thép sẽ co lại và truyền lực nén lên kết cấu bê tông xung quanh tạo ra ứng suất nén ban đầu trong kết cấu Phương pháp tạo ứng suất trước căng trước này đòi hỏi khi thi công phải có các bệ đỡ để neo tạm các thiết bị căng Vì thế mà phương pháp căng trước thường được áp dụng để sản xuất các cấu kiện bê tông ứng suất trước căng trước đúc sẵn trong nhà máy

Trang 25

Ngược lại với kết cấu bê tông cốt thép ứng suất trước căng trước, kết cấu bê tông cốt thép ứng suất trước căng sau được tạo ra bằng cách căng cốt thép sau khi bê tông

đã đạt đến cường độ nhất định rồi tiến hành neo giữ hai đầu cốt thép căng Phương pháp thi công ứng suất trước căng sau được áp dụng nhiều trên công trường, hình thức thi công lắp ghép

Theo khả năng bám dính giữa bê tông và cốt thép căng, kết cấu bê tông ứng suất trước được phân thành hai loại là có bám dính và không bám dính Theo phương pháp tạo ra kết cấu bê tông ứng suất trước căng trước thì kết cấu này thuộc loại có bám dính Với kết cấu bê tông ứng suất trước căng sau, thép căng được đặt trong các ống chôn sẵn hoặc các lỗ tạo sẵn trong khối bê tông Vì vậy kết cấu bê tông cốt thép căng sau có thể thuộc loại có bám dính hoặc không bám dính Kết cấu căng sau có bám dính, cốt thép căng sau khi được neo giữ, vữa bê tông được bơm vào trong ống, lỗ tạo sẵn Vữa bê tông bơm vào vừa có tác dụng bảo vệ cốt thép căng vừa góp phần dính kết giữa bê tông và cốt thép căng Ngược lại bê tông cốt thép ứng suất trước căng sau không bám dính có thể được bố trí thành từng bó trong các ống và được liên kết với khối bê tông tại vị trí neo giữ, cốt thép căng có thể trượt tự do trong các ống chôn sẵn Theo khả năng triệt tiêu ứng suất kéo trong các giai đoạn chịu lực, các giai đoạn làm việc của kết cấu mà kết cấu bê tông cốt thép ứng suất trước chia thành hai loại là kết cấu ứng suất trước toàn phần và kết cấu ứng suất trước một phần Trong kết cấu bê tông cốt thép ứng suất trước một phần, trong một số giai đoạn làm việc, trong kết cấu vẫn còn ứng suất kéo Do đó để kết cấu có thể chụ được ứng suất kéo này thì ngoài thép căng còn cần có thép không căng để chịu lực

Ngoài ra, theo cách bố trí cốt thép căng và cách căng cốt thép để tạo ứng suất ban đầu, kết cấu bê tông ứng suất trước còn chia thành kết cấu ứng suất trước căng trong tiết diện và kết cấu ứng suất trước căng ngoài tiết diện

2.1.2 Lịch sử nghiên cứu và ứng dụng kết cấu bê tông ứng suất trước trên thế giới

Việc áp dụng nguyên lý ứng suất trước vào kết cấu bê tông bắt đầu từ thập niên

80 của thế kỉ thứ XIX Năm 1886, P.H.Jackson (Mỹ) đã nhận được chứng nhận bản quyền về việc sử dụng cốt thép căng để làm vòm bê tông Năm 1888, Dorhing(Đức) nhận được chứng nhận bản quyền về việc đặt thêm sợi thép căng vào bê tông để đúc thành tấm và dầm Đó là những bước đi đầu tiên của việc sử dụng nguyên lý ứng suất trước chế tạo cấu kiện bê tông đúc sẵn.[10]

Trang 26

Khái niệm dùng ứng suất trước để triệt tiêu ứng suất kéo trong bê tông do ngoại tải gây ra là do J.Mandl (Áo) đề suất đầu tiên vào năm 1896 Năm 1906, M.Koenen (Đức) tiến hành thí nghiệm đổ bê tông với cốt thép có giới hạn bền 160MPa, quan sát thí nghiệm ông nhận thấy hiện tượng nén trước ban đầu bị mất đi do bê tông co ngót Năm 1909 C.R.Steiner(Mỹ) đề xuất việc kéo căng 2 lần để giảm bớt tổn hao ứng suất trước và đã nhận được chứng nhận bản quyền

Năm 1923,F.Emperger (Áo) đã sang tạo ra phương pháp quấn dây thép căng để làm ống bê tông chịu áp lực Dây thép căng sử dụng loại có cường độ từ 160 MPa đến 800MPa

Công nghệ ứng suất căng sau không bám dính được R.H.Dill (Mỹ) đề suất vào năm 1925 Ông sử dụng cốt thép cường độ cao có phủ ngoài chất chống dính, sau khi

bê tông đóng rắn thì tiến hành kéo căng và dùng êcu chốt cố định ở hai đầu Sau đó vào năm 1927, R.Farber (Mỹ) ) nhận được chứng nhận bản quyền về phương pháp ứng suất trước có cốt thép căng có thể trượt trong bê tông Lúc đó, phương pháp chống bám dính giữa bê tông và cốt thép căng là phủ lên bề mặt cốt thép một lớp bột đá hoặc

là đặt cốt thép căng vào trong ống cứng

Trong thời kỳ đầu lịch sử phát triển của kết cấu bê tông ứng suất trước, do thiếu

sự hiểu biết về tính năng của bê tông và vật liệu cốt thép trong quá trình chịu tải, nên ứng suất trước mà những phương pháp nói trên tạo ra vẫn rất nhỏ,hiệu quả không rõ ràng phạm vi ứng dụng còn hạn chế

Giai đoạn đua kết cấu bê tông ứng suất trước vào ứng dụng thực tế không thể tách rời sự đóng góp của kỹ sư người pháp F.Freyssient Trên cơ sở nghiên cứu tính năng của bê tông và vật liệu cốt thép cũng như tổng kết kinh nghiệm của những người

đi trước, ông đã nghĩ tới tổn hao ứng suất trước do bê tông co ngót và từ biến Năm

1928 F.Freyssinet chi ra rằng bê tông ứng suất trước phải sử dụng thép cường độ cao

và bê tông cường độ cao Đây là một sự đột phá về lý thuyết kết cấu bê tông ứng suất trước Từ đó, việc nghiên cứu bê tông ứng suất trước đi vào giai đoạn nghiên cứu tính chất của vật liệu

Trong giai đoạn này vẫn chưa giải quyết được vấn đề công nghệ sản xuất kết cấu

bê tông ứng suất trước

Năm 1938, E.hoyer người Đức đã nghiên cứu thành công phương pháp căng trước dựa vào sự bám dính giữa dây thép nhỏ cường độ cao (đường kính 0,5-2mm)

và bê tông chứ không phải dựa vào sự truyền lực ở đầu neo Trên cơ sở kết quả

Trang 27

nghiên cứu này người ta có thể sản xuất đòng thời nhiều thanh cấu kiện trên bệ dài hàng chục mét

Năm 1939, F.Freyssient nghiên cứu thành công neo hình côn cho bó dây thép và thiết bị kích kéo căng đồng bộ cho loại cốt thép căng và neo này

Năm 1940, G.magnel người Bỉ nghiên cứu thành công loại neo dạng khối có thể ứng dụng cho trường hợp kéo căng đồng thời hai thanh cốt thép Kết quả nghiên cứu

có tính tiên phong đóng góp vào sự phát triển kết cấu bê tông ứng suất trước trong lý thuyết cũng như thực tiễn của các nhà khoa học Xô Viết là rất đáng kể

Những thành tựu trên đây đã tạo cơ sở của công nghệ sản xuất bê tông ứng suất trước theo cả phương pháp căng trước và căng sau

Hiện nay việc ứng dụng kết cấu bê tông ứng suất trước đã là vấn đề quen thuộc trên phạm vi toàn thế giới

Trong lĩnh vực thủy lợi, vấn đề nghiên cứu, ứng dụng kết cấu bê tông cốt thép ứng suất trước và các công trình thủy lợi đã được đề cập đến Tại mặt thượng lưu của đập bê tông trọng lực, người ta sử dụng kết cấu bê tông cốt thép ứng suất trước để hạn chế và phòng ngừa sự xuất hiện ứng suất kéo gây nứt nẻ, xâm thực bê tông như hình 2.1 [2] Tuy nhiên việc ứng dụng kết cấu bê tông cốt thép ứng suất trước trong linh vực thủy lợi

so với các lĩnh vực xây dựng dân dụng và giao thông còn có phần hạn chế

Hình 2.1: Đập trọng lực ứng suất trước

a) Mặt cắt ngang; b) Phần đỉnh đập; c) Phần néo trong nền

Trang 28

2.1.3 Lịch sử nghiên cứu và ứng dụng kết cấu bê tông ứng suất trước ở Việt Nam

Bê tông ứng suất trước thâm nhập vào khá sớm, công trình cầu Phủ Lỗ và nhà máy đóng tàu Bạch Đằng là những công trình có ứng dụng kết cấu bê tông ứng suất trước do các nhà xây dựng Việt Nam thực hiện trong những năm 1960 Sau hai công trình thí điểm này kết cấu bê tông ứng suất trước ở nước ta tiếp tục phát triển trong ngành xây dựng cầu đường và trong xây dựng dân dụng và công nghiệp với những đặc thù riêng [10,11]

Trong xây dựng cầu, trước năm 1990 đã thực hiện việc chế tạo các dầm khẩu độ lớn phục vụ cho các công trình cầu lớn mà điển hình là cầu Thăng Long Trong giai đoạn gần đây trong xây dựng cầu ngoài việc chế tạo các hệ dầm đúc sẵn nhịp lớn, công nghệ bê tông ứng suất trước đang được áp dụng cho các kết cấu cầu nhịp lớn theo phương pháp đúc đẩy và đúc hẫng

Trong xây dựng dân dụng và công nghiệp, việc nghiên cứu ứng dụng kết cấu bê tông ứng suất trước có thể được chia làm hai giai đoạn

Trong giai đoạn trước năm 1996 việc nghiên cứu kết cấu bê tông ứng suất trước

ở nước ta chủ yếu tập trung vào tìm kiếm công nghệ thích hợp để chế tạo các cấu kiện như panel, dầm nhỏ, dàn vì kéo mái nhà công nghiệp…

Từ năm 1996 đến nay nghiên cứu kết cấu bê tông ứng suất trước gắn liền với việc đưa công nghệ của thế giới vào ứng dụng ở các công trình có quy mô lớn

Công nghệ sản xuất kết cấu bê tông ứng suất trước đang được phát triển mạnh

mẽ ở nước ta Nhiều cơ sở sản xuất trong nước đã nhập được các dây chuyền sản xuất hiện đại (dầm cầu của Bê tông Châu Thới; cột điện của Bê tông Thịnh Liệt; cọc dự ứng lực của Công ty Phan Vũ; ống cấp nước của Bê tông Tân Bình, Bê tông Chèm; dầm cầu, dầm sàn nhà dân dựng và công nghiệp của Bê tông Xuân Mai ) Sản phẩm ngày càng phong phú và đa dạng: panel,dầm, cọc tròn ly tâm, cọc vuông, cọc cừ, cột điện… như hình 2.2

Công nghệ bê tông ứng suất căng sau đã được sử dụng phổ biến trong các công trình silo, bể chứa, khung nhà nhịp lớn, nhà cao tầng…

Công nghệ căng sau không bám dính được áp dụng để làm hệ thống sàn của công trình Nhà điều hành ĐH quốc gia Hà Nội vào năm 1997 Sau công trình này công nghệ căng sau tiếp tục được sử dụng tại các công trình khác trên phạm vi toàn quốc Hiện nay loại hết cấu này vẫn đang được tiếp tục nghiên cứu và phát triển

Trang 29

a) Cấu kiện cột ứng suất trước b) Cấu kiện dầm ứng suất trước

c) Cấu kiện sàn ứng suất trước d) Cấu kiện tấm cầu thang ứng suất trước

e) Cọc ứng suất trước f) Cừ ứng suất trước

Hình 2.2: Một số cấu kiện bê tông cốt thép ứng suất trước

Trong lĩnh vực xây dựng các công trình thủy lợi, thủy điện, kết cấu bê tông cốt thép dự ứng lực cũng đang dần từng bước được ứng dụng vào một số hạng mục công trình như các công trình bảo vệ mái hố móng ở những chỗ quan trọng của một số công trình thuỷ điện như: Thuỷ điện Buôn Kuôp – tỉnh Đaklak, Bình Điền – tỉnh Thừa

Trang 30

Thiên Huế, Plêikrông tỉnh Kon Tum, v.v… Cừ bê tông cốt thép ứng suất trước được dùng để bảo vệ bờ sông, chống thấm cho các kè dọc các sông khu vực đồng bằng sông Cửu Long, đoạn kênh dẫn nước thượng lưu cống Xuân Quan Tuy nhiên việc áp dụng giải pháp kết cấu bê tông cốt thép ứng suất trước vào các công trình thủy lợi, thủy điện

ở Việt Nam còn nhiều hạn chế so với một số lĩnh vực khác

Nhìn một cách tổng quan thì kết cấu bê tông ứng suất trước đang được phát triển mạnh ở nước ta tuy nhiên tỷ trọng so với kết cấu bê tông thường thì vẫn còn hạn chế

2.2 Vật liệu và thiết bị dùng cho bê tông cốt thép ứng suất trước

So với kết cấu bê tông cốt thép thông thường, vật liệu để sản xuất và thi công kết cấu bê tông cốt thép ứng suất trước có những yêu cầu riêng Các nghiên cứu trước đã chỉ ra rằng, bê tông và cốt thép dùng trong kết cấu bê tông ứng suất trước cần thiết phải sử dụng bê tông cường độ cao và cốt thép cường độ cao [10,11,18] Bên cạnh đó,

để tạo ra kết cấu bê tông cốt thép ứng suất trước, về thiết bị thi công cũng cần đến một

số thiết bị đặc thù khác với thi công kết cấu bê tông cốt thép truyền thống như: neo, ống gen, vữa bơm… (với kết cấu bê tông ứng suất trước căng sau) hay bộ neo công cụ,

bệ căng…( với kết cấu bê tông ứng suất trước căng trước)

2.2.1 Bê tông

Sự biến dạng do từ biến, co ngót của bê tông trong kết cấu bê tông cốt thép ứng suất trước sẽ làm co ngắn cốt thép căng và làm giảm ứng suất căng ban đầu trong kết cấu Đây là hiện tượng tổn hao ứng suất trước trong kết cấu bê tông cốt thép ứng suất trước Khi thiết kế và thi công kết cấu bê tông cốt thép ứng suất trước, chúng ta mong muốn sự tổn hao ứng suất càng nhỏ càng tốt, do vậy bê tông cường độ cao cần được sử dụng Bên cạnh đó, việc sử dụng bê tông cường độ cao so với bê tông thông thường đối với kết cấu bê tông cốt thép ứng suất trước còn có một số những lợi ích sau [10]:

- Bê tông cường độ cao có khả năng chịu lực lớn nên kết cấu có thể có kích thước mỏng hơn nên giảm được trọng lượng bản thân kết cấu;

- Bê tông cường độ cao có mô đun đàn hồi lớn hơn bê tông thường, thêm vào nữa biến dạng do co ngót và từ biến cũng nhỏ hơn, nhờ thế mà giảm được tốn hao ứng suất;

- Bê tông cường độ cao có khả năng chịu kéo cao nên có thể làm chậm sự xuất hiện vết nứt;

Trang 31

- Một vấn đề xảy ra với kết cấu bê tông cốt thép ứng suất trước, đặc biệt với kết cấu bê tông cốt thép ứng suất trước căng sau là lực truyền vào kết cấu tại vị trí đầu neo lớn nên đòi hỏi phải dùng bê tông cường độ cao

Việc sử dụng bê tông cường độ cao trong kết cấu bê tông cốt thép ứng suất trước được quy định cụ thể trong TCXDVN 356 : 2005 [7], được thể hiện ở bảng 2.1:

Bảng 2.1: Bảng quy định sử dụng cấp độ bền với bê tông trong kết cấu

ứng suất trước Loại và nhóm cốt thép căng Cấp độ bền của bê tông không thấp hơn

Trang 32

Các sợi thép cường độ cao thường sử dụng loại thép cac bon tròn chất lượng tốt thông qua vài lần tuốt nguội đạt đến cường độ và đường kính yêu cầu Thành phần hóa học của vật liệu và kích thước các loại sợi cáp do các nước sản xuất có sự sai khác nhỏ Đường kính sợi thép cường độ cao thường từ khoảng 3mm đến 12mm Những sợi thép có đường kính nhỏ thường dùng cho trường hợp căng trước, còn các sợi thép có đường kính lớn từ 9mm đến 12mm thường dùng cho trường hợp căng sau Để tăng khả năng bám dính của sợi thép cường độ cao với bê tông, ngoài thép sợi dạng tròn trơn, còn có loại thép sợi dạng có vết khắc và dạng lượn sóng Một vấn đề khác gặp phải với sợi thép sau khi kéo nguội là nội ứng suất trong sợi thép tương đối lớn, làm giới hạn chảy của thép sợi, độ giãn dài nhỏ Để khắc phục hiện tượng này người ta tiến hành nắn thẳng sợi thép bằng các ống quay cao tốc và được xử lý nhiệt độ từ 300oC - 400oC tạo ra loại thép sợi độ chùng thấp [10,18]

Tao thép xoắn cường độ cao được tạo ra bằng cách xoắn 2, 3, 7, 19 sợi thép cường độ cao lại với nhau Loại được dùng phổ biến nhất là loại tao thép 7 sợi do 6 sợi quấn cùng chiều xung quanh 1 sợi thép trung tâm Loại tao thép 7 sợi có diện tích tương đối lớn, khá mềm nên dễ thi công, thích hợp cho cả phương pháp căng trước lẫn căng sau Khi sử dụng tao thép xoắn làm cốt thép căng không bám dính, người ta phủ lên bề mặt tao thép xoắn một lớp mỡ chống ăn mòn và bọc nó bằng lớp chất dẻo Để nâng cao tính năng của tao thép xoắn, người ta cũng khử ứng suất tạo ra 2 loại tao thép xoắn có độ trùng bình thường và độ chùng thấp Theo tiêu chuẩn ASTM A416 một số đặc tính của tao thép xoắn 7 sợi không vỏ bọc được thể hiện ở bảng 2.2 Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 6284-1997 trong phần 4 cũng có quy định về các loại tao thép dùng cho kết cấu bê tông cốt thép ứng suất trước Cùng với các quy định kỹ thuật còn có bảng các thông số kỹ thuật của tao thép xoắn các loại được thể hiện ở phụ lục 4

Bảng 2.2: Đặc tính của tao thép xoắn 7 sợi không vỏ bọc theo ASTM A416

Đường kính

danh định (mm)

Sức bền kéo phá hoại (KN)

Diện tích danh định

Lực tối thiểu khi độ giãn dài 1%

Grade 250 (Độ bền 1720MPa)

Trang 33

Đường kính

danh định (mm)

Sức bền kéo phá hoại (KN)

Diện tích danh định

Lực tối thiểu khi độ giãn dài 1%

2.3 Phương pháp tính toán kết cấu bê tông cốt thép ứng suất trước

2.3.1 Sự hình thành và phát triển vết nứt ở tiết diện thẳng góc cấu kiện chịu uốn

Sự phá hoại xảy ra ở tiết diện thẳng góc thường xảy ra với các cấu kiện chịu uốn (dầm) hoặc các cấu kiện chịu nén, kéo lệch tâm khi ảnh hưởng của mô men uốn tại tiết diện thẳng góc là đáng kể Đối với kết cấu bê tông cốt thép thông thường, trên tiết diện thẳng góc, chịu lực là mô men uốn, từ khi kết cấu làm việc đến khi phá hoại trải qua các trạng thái ứng suất biến dạng như sau [20]:

+ Giai đoạn I: Kết cấu chưa bị nứt

+ Giai đoạn II: Kết cấu bị nứt

+ Giai đoạn III: Kết cấu bị phá hoại

Ở giai đoạn I, khi tải trọng tác dụng lên kết cấu còn nhỏ, giá trị mô men tại tiết diện còn nhỏ, sơ đồ ứng suất của tiết diện thẳng góc như hình 2.3 a) Trong giai đoạn này, ứng suất của bê tông trong miền nén σn nhỏ hơn rất nhiều ứng suất cho phép chịu nén của bê tông R ; tại miền kéo, ứng suất trong cốt thép σ n c a nhỏ hơn rất nhiều ứng suất cho phép chịu kéo của cốt thép R và ứng suất của bê tông σ a c k còn nhỏ hơn ứng

Trang 34

suất kéo cho phép của của bê tông R Trường hợp này, cả bê tông và cốt thép đều làm k c

việc trong giới hạn đàn hồi, sơ đồ ứng suất là đường thẳng

Tiếp tục tăng tải trọng tác dụng, ứng suất tại tiết diện tăng lên đạt giai đoạn Ia và

có sơ đồ ứng suất như hình 2.3 b) Trường hợp này, tại miền kéo ứng suất của bê tông

σk = R ; ứng suất trong cốt thép tuy có tăng nhưng còn nhỏ hơn k c R Tại miền nén, a c

ứng suất trong bê tông có tăng nhưng vẫn nhỏ hơn R , bê tông bước đầu chuyển qua n c

giai đoạn biến dạng dẻo Thời điểm này là thời điểm ngay trước khi bê tông ở miền kéo bị nứt nên giá trị mô men ở thời điểm này chính là khả năng chống nứt của tiết diện Mn



M

R

<< aa

Tiếp tục tăng tải trọng, trạng thái ứng suất biến dạng của tiết diện thẳng góc chuyển sang giai đoạn II như ở hình 2.4 Sơ đồ ứng suất trong giai đoạn này như ở hình 2.4 a) và 2.4 b) tùy thuộc vào hàm lượng thép bố trí ở miền kéo Đặc điểm chung với sơ đồ ứng suất trong giai đoạn này là ở miền kéo, bê tông đã bị nứt, trị số ứng suất

σk=0, chỉ còn một phần bê tông ở gần trục trung hòa vẫn còn làm việc; ở miền nén ứng suất trong bê tông tăng lên nhưng vẫn nhỏ hơn R , toàn bộ bê tông ở miền nén làm n c

việc trong giai đoạn biến dạng dẻo

+ Sơ đồ ứng suất hình 2.4 a) tương ứng với trường hợp ở miền kéo bố trí nhiều cốt thép nên trị số ứng suất trong cốt thép mặc dù tăng nhưng vẫn thỏa mãn điều kiện

σa<R , tiết diện vẫn còn khả năng làm việc a c

+ Sơ đồ ứng suất hình 2.4 b) tương ứng với trường hợp ở miền kéo bố trí ít cốt thép, trị số ứng suất trong cốt thép σa tăng đạt giá trịR Trường hợp này là trường hợp c

Trang 35

nên tránh trong thiết kế vì chỉ cần tải trọng tăng lên thì kết cấu sẽ bị phá hoại một cách đột ngột khi mà ở miền nén bê tông vẫn còn khả năng làm việc

Khi tải trọng tiếp tục tăng, trạng thái ứng suất biến dạng trên tiết diện chuyển sang giai đoạn III như hình 2.5 Đặc điểm của giai đoạn này là vết nứt tiếp tục phát triển về phía miền nén, chiều dày làm việc của miền nén bị thu hẹp lại, ứng suất của bê tông σk = 0 Bê tông miền nén làm việc trong giai đoạn biến dạng dẻo Cuối giai đoạn này ứng suất trong bê tông ở miền nén σn đạt đến ứng suất cho phép chịu nén của bê tông R n c

+ Sơ đồ ứng suất hình 2.5 a) tương ứng với trường hợp ở miền kéo bố trí nhiều cốt thép nên trị số ứng suất trong cốt thép vẫn thỏa mãn điều kiện σa < R , tiết diện a c

vẫn còn khả năng làm việc Nếu tiếp tục tăng tải trọng kết cấu sẽ bị phá hoại do bê tông miền nén không đủ khả năng chịu lực trong khi cốt thép miền kéo vẫn còn khả năng làm việc Dạng phá hoại này gọi là phá hoại giòn Đây là dạng phá hoại nên tránh trong thiết kế vì kết cấu bị phá hoại một cách đột ngột khi biến dạng chưa lớn nên khó

Trang 36

Đối với kết cấu bê tông cốt thép ứng suất trước, trạng thái ứng suất biến dạng trên tiết diện thẳng góc đến thời điểm phá hoại nhìn chung cũng giống như kết cấu bê tông cốt thép thông thường Trạng thái ứng suất biến dạng của kết cấu bê tông cốt thép ứng suất trước chỉ khác với kết cấu bê tông cốt thép thông thường trong giai đoạn tạo ứng suất trước và giai đoạn đầu khi tải trọng còn nhỏ

2.3.2 Sự tổn hao ứng suất trước

Để tạo ứng suất trước trong kết cấu, ban đầu người ta tiến hành kéo cốt thép căng, tạo ra ứng suất kéo ban đầu trong cốt thép căng Theo thời gian, cùng với sự làm việc của kết cấu, lượng ứng suất này bị giảm đi một phần Lượng ứng suất bị giảm đó gọi là tổn hao ứng suất trước Theo thống kê, đối với cốt thép cường độ cao, tổn hao ứng suất trước có thể đạt đến 20%-30% ứng suất căng ban đầu, còn đối với cốt thép cường độ thấp thì lượng tổn hao ứng suất trước có thể lớn hơn nhiều, thậm chí triệt tiêu toàn bộ ứng suất căng ban đầu

Trong TCXDVN 356 : 2005 quy định cụ thể về cách thức tính gần đúng các tổn hao ứng suất trước Các tổn hao này được chia thành 2 nhóm: các tổn hao thứ nhất và các tổn hao thứ hai tương ứng với trường hợp căng trên bệ và căng trên bê tông Các tổn hao thứ nhất xuất hiện trong giai đoạn từ đầu đến khi bê tông được gây ứng suất trước, còn các tổn hao ứng suất trước thứ hai xuất hiện trong giai đoạn sau khi bê tông được gây ứng suất trước Ngoài ra, theo TCXDVN 356 : 2005 cũng quy định trong mọi trường hợp tổng tổn hao ứng suất không nhỏ hơn 100Mpa Các thành phần tổn hao ứng suất được tổng hợp ở bảng 2.3:

Trang 37

Bảng 2.3: Bảng tổng hợp các loại tổn hao ứng suất

Tổn hao ứng suất trước Thứ tự Nguyên nhân gây tổn hao ứng suất

Căng trên bệ Căng trên bê

tông

1 Chùng ứng suất của cốt thép (căng trên bệ) σ1 -

2 Chênh lệch nhiệt độ giữa cốt thép và bê tông σ2 -

4 Ma sát giữa cốt thép và các bộ phận tiếp xúc σ4 σ4

7 Chùng ứng suất của cốt thép (căng trên bê tông) - σ7

Việc tính tổn hao ứng suất được đưa vào trong tiêu chuẩn của nhiều quốc gia, tuy nhiên các tính toán đó chỉ là gần đúng Trong thực tế, các tổn hao ứng suất trước khó

có thể xác định một cách chính xác vì nó phụ thuộc rất nhiều yếu tố như: đặc tính cốt thép và bê tông, điều kiện độ ẩm và bảo dưỡng, quá trình ứng suất trước, độ lớn và thời gian tác dụng ứng suất trước [11] Một số tài liệu cho phép khi tính theo tiêu chuẩn ACI tổn hao trung bình của ứng suất trước có thể ước tính theo tỷ lệ phần trăm của ứng suất trước như bảng 2.4:

Bảng 2.4: Bảng độ lớn tổn hao ứng suất trước ước tính (%)

Nguyên nhân gây tổn hao ứng suất Căng trước Căng sau

Trang 38

2.3.3 Các phương pháp tính toán kết cấu bê tông cốt thép ứng suất trước

Trong lịch sử phát triển, phương pháp tính toán kết cấu bê tông cốt thép nói chung hay bê tông cốt thép ứng suất trước nói riêng trải qua một số phương pháp như: phương pháp tính theo ứng suất cho phép, phương pháp tính toán theo giai đoạn phá hoại, phương pháp tính toán theo trạng thái giới hạn và phương pháp tính toán theo lý thuyết độ tin cậy

Phương pháp đầu tiên dùng để tính toán kết cấu bê tông cốt thép là phương pháp ứng suất cho phép hay còn gọi là phương pháp tính toán theo giai đoạn đàn hồi Phương pháp ứng suất cho phép dựa trên thành tựu của sức bền vật liệu khi xem rằng khi kết cấu chịu lực, vật liệu còn làm việc trong giai đoạn đàn hồi [20] Nguyên tắc cơ bản của phương pháp thể hiện qua công thức:

Trong đó:

max là ứng suất tính toán lớn nhất tại một điểm nào đó trong mặt cắt tính toán, xác định từ tổ hợp tải trọng bất lợi nhất;

[] là ứng suất cho phép, lấy theo tài liệu tiêu chuẩn đối với vật liệu, loại kết cấu

và dạng của trạng thái ứng suất (kéo, nén, xoắn )

Phương pháp ứng suất cho phép sử dụng giai đoạn ứng suất thứ 2 để làm cơ sở tính toán, xem xét bê tông hoàn toàn không chị kéo, toàn bộ lực kéo do cốt thép chịu Trị số ứng suất cho phép được xác định bằng cách lấy ứng suất chảy của vật liệu chia cho một hệ số an toàn lớn hơn một để khẳng định vật liệu làm việc trong giai đoạn đàn hồi Sơ đồ ứng suất khi tính toán theo phương pháp ứng suất cho phép thể hiện ở hình 2.6

Trang 39

Phương pháp tính toán kết cấu công trình theo ứng suất cho phép có ưu điểm là đơn giản, dễ áp dụng nhưng lại có một số hạn chế Hạn chế đầu tiên phải kể đến là việc xem bê tông là vật liệu đàn hồi, làm việc trong giới hạn đàn hồi là chưa thật chính xác Thực tế, với vật liệu bê tông, ngay khi chịu tải trọng còn nhỏ thì bản thân bê tông

đã có biến dạng dẻo, do đó không thể áp dụng định luật Húc cho vật liệu đàn hồi với

bê tông Hạn chế thứ hai của phương pháp tính toán theo ứng suất cho phép là không

kể đến tính đặc thù của các loại tải trọng, tổ hợp tải trọng tác dụng lên kết cấu Thêm vào nữa là phương pháp tính theo ứng suất cho phép lấy trị số giới hạn về ứng suất trong giai đoạn đàn hồi làm giá trị giới hạn là chưa xem xét hết khả năng làm việc của vật liệu

Với những hạn chế trên, phương pháp tính theo ứng suất cho phép ít được sử dụng hiện nay để tính toán kết cấu Tuy nhiên phương pháp này vẫn được dùng để kiểm tra, tính toán nứt kết cấu

Phương pháp tính theo giai đoạn phá hoại hay còn gọi là tính theo nội lực phá hoại dựa trên nguyên tắc xét sự làm việc của kết cấu lúc bị phá hoại [20] Để tính toán nội lực phá hoại, dùng giai đoạn ứng suất thứ 3 với sơ đồ ứng suất như hình 2.6 Theo

sơ đồ hình 2.7, xem bê tông vùng kéo bị nứt, toàn bộ lực kéo do cốt thép chịu, ứng suất trong cốt thép đạt đến R , ứng suất trong bê tông đạt đến a c R Kết cấu công trình n c

được kết luận là làm việc an toàn theo phương pháp giai đoạn phá hoại khi thỏa mãn điều kiện:

Trong đó:

K là hệ số an toàn,

N là nội lực mà kết cấu phải chịu khi làm việc,

Np là nội lực gây phá hoại kết cấu

kM

Rcn

c a R

Hình 2.7: Sơ đồ ứng suất dùng để tính toán theo phương pháp giai đoạn phá hoại

Trang 40

So sánh với phương pháp ứng suất cho phép, phương pháp giai đoạn phá hoại đã khắc phục được một số hạn chế của phương pháp ứng suất cho phép như: đã xét đến tính đàn hồi – dẻo của vật liệu, điều này sát với thực tế hơn đối với vật liệu bê tông cốt thép; phương pháp tính theo giai đoạn phá hoại sử dụng giai đoạn ứng suất thứ ba nên phát huy hết khả năng làm việc của vật liệu nên có thể tiết kiệm vật liệu hơn; khi tính theo phương pháp giai đoạn phá hoại đã kể đến ảnh hưởng của các loại tải trọng khác nhau đối với kết cấu công trình Tuy nhiên phương pháp này vẫn còn hạn chế trong việc chọn giá trị hê số an toàn chung cho toàn kết cấu “K” mang tính kinh nghiệm mà chưa kể đến loại các đặc trưng vật liệu, kết cấu…

Phương pháp tính toán kết cấu theo trạng thái giới hạn do các nhà khoa học Liên

Xô cũ lần đầu tiên đưa ra vào những năm năm mươi của thế kỷ XX Nét đặc thù của phương pháp tính theo trạng thái giới hạn là việc sử dụng một nhóm các hệ số an toàn mang đặc trưng thống kê: hệ số tổ hợp tải trọng, hệ số điều kiện làm việc, hệ số tin cậy, hệ số lệch tải, hệ số an toàn về vật liệu … Nhóm các hệ số này thay thế cho một

hệ số an toàn chung K Vì vậy phương pháp này còn được gọi là phương pháp nhiều

hệ số an toàn Như vậy so với phương pháp tính theo giai đoạn phá hoại, phương pháp tính theo trạng thái giới hạn không chỉ thừa nhận tính phi đàn hồi của vật liệu mà còn xét đến cả yếu tố ngẫu nhiên, không tất định của tải trọng lẫn các đặc trưng vật liệu Nhưng phương pháp này cũng có hạn chế khi xem xét kết cấu là yếu tố tất định về mặt hình học Do vậy phương pháp tính toán kết cấu theo trạng thái giới hạn còn gọi là phương pháp bán xác suất Hiện nay phương pháp tính toán kết cấu theo trạng thái giới hạn được công nhận và đưa vào tiêu chuẩn thiết kế của nhiều quốc gia trên thế giới, trong đó có Việt Nam [17,20]

Điều kiện để công trình đảm bảo điều kiện ổn định và độ bền theo phương pháp trạng thái giới hạn là phải thỏa mãn công thức 2-3

trong đó: Ntt - trị số tính toán của tải trọng tổng hợp;

R: trị số tính toán của sức chịu tổng hợp của công trình hay nền;

m: hệ số điều kiện làm việc

Kn: hệ số độ tin cậy

Định dạng
Số trang	192
Dung lượng	3,75 MB