Nghiên cứu tính khả thi của phương pháp metal road trong xây dựng đường miền núi ở việt nam

C ẤU TẠO CỦA PHƯƠNG PHÁP METAL ROAD Metal Road có kết cấu được tích hợp gắn cứng móng cọc ống thép nhồi bê tông hoặc vữa xi măng với cấu trúc thượng tầng bao gồm dầm I xà ngang và dầm c

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa - ĐHQG - HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS ĐẶNG ĐĂNG TÙNG

Cán bộ chấm nhận xét 1: TS NGUYỄN DANH THẮNG

Cán bộ chấm nhận xét 2: TS PHÙNG MẠNH TIẾN

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày 12 tháng 09 năm 2015

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

1 TS V Ũ XUÂN HÒA………

2 TS NGUY ỄN CẢNH TUẤN………

3 TS PHÙNG M ẠNH TIẾN………

4 TS NGUY ỄN DANH THẮNG………

5 TS V Ũ HỒNG NGHIỆP………

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa CH Ủ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA K Ỹ THUẬT XÂY DỰNG TS V Ũ XUÂN HÒA TS NGUYỄN MINH TÂM

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA C ỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

Họ và tên học viên: NGUYỄN VĂN ÚT THI MSHV: 11380344

Ngày, tháng, năm sinh: 01-07-1984 Nơi sinh: Tiền Giang Chuyên ngành: Xây dựng Cầu, Hầm Mã số: 60 58 25

I TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU TÍNH KHẢ THI CỦA PHƯƠNG PHÁP METAL ROAD TRONG XÂY D ỰNG ĐƯỜNG MIỀN NÚI Ở VIỆT NAM: Luận văn gồm các

nội dung sau:

Phần mở đầu

Chương 1: Tổng quan về phương pháp Metal Road

Chương 2: Công nghệ cọc bê tông võ ống thép

Chương 3: Dầm liên hợp bản bê tông cốt thép

Chương 4: Xem xét tính khả thi của phương pháp Metal Road trong xây dựng đường

miền núi ở Việt Nam

Chương 5: Kết luận và kiến nghị

III NGÀY GIAO NHI ỆM VỤ:

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHI ỆM VỤ:

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

TS NGUY ỄN MINH TÂM

L ỜI CÁM ƠN

Trong thời gian học tập tại trường tôi đã nhận được những kiến thức quý báu để thực

hiện luận văn và áp dụng trong công việc, đó là nhờ sự dạy dỗ tận tình của các thầy cô giáo Trước hết tôi muốn gởi lời cám ơn đến các thầy cô trong Bộ Môn Cầu hầm đặc

biệt là TS ĐẶNG ĐĂNG TÙNG, người đã giảng dạy đồng thời cũng là người trực tiếp hướng dẫn giúp tôi hoàn thành luận văn này

Tôi xin cám ơn đến các đồng nghiệp đã giúp tôi thu thập số liệu cho luận văn, các bạn

bè đã quan tâm, chia sẽ với tôi trong thời gian học tập cũng như quá trình thực hiện luận văn

Tôi đặc biệt cám ơn đến những người thân trong gia đình Sự động viên, chia sẽ và giúp

đỡ của mọi người là niềm động lực lớn lao đối với tôi trong suốt thời gian học tập Cuối cùng, xin gởi lời chúc những gì tốt đẹp nhất đến với tất cả mọi người

Trân trọng!

Học viên

M ỤC LỤC

II TIÊU CHÍ LỰA CHỌN CHO CỌC BÊ TÔNG VỎ ỐNG THÉP: 16

III KHẢ NĂNG CHỊU TẢI THEO ĐẤT NỀN: 16

III NGUYÊN LÝ TÍNH TOÁN DẦM THÉP – BTCT LIÊN HỢP: 31

1 Khi tiết diện chịu mômen dương (bản chịu nén) có thể xét các trường hợp: 36

2 Khi tiết diện chịu mômen âm (bản chịu kéo) có thể xét hai trường hợp sau: 40

1 Khi tiết diện liên hợp chịu mômen dương (bản chịu nén): 41

2 Khi tiết diện liên hợp chịu mômen âm (bản chịu kéo) 44

METAL ROAD TRONG XÂY D ỰNG ĐƯỜNG MIỀN NÚI Ở VIỆT NAM 57

CHƯƠNG MỞ ĐẦU

I TÍNH C ẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI:

Tốc độ phát triển kinh tế của nước ta trong những năm qua khá nhanh Nhu

cầu đi lại và vận chuyển hàng hoá giữa các vùng miền tăng cao Vì v ậy xây dựng giao thông là yếu tố quan trọng nhất cho sự phát triển của đất nước Theo quan sát

bản đồ Việt Nam thì đ ịa hình Việt Nam gồm 4 dạng (núi, cao nguyên, bình nguyên

và đồng bằng) trong đó đồi núi chiếm ưu thế với 85% hay ¾ diện tích lảnh thổ Vì

vậy xây dựng các tuyến đường trên miền núi là một yêu cầu trong xây dựng giao thông của đất nước

Phương pháp xây dựng đường miền núi ở nước ta hiện nay như đào chỗ cao

và đắp chỗ thấp; đào hầm hoặc làm cầu cạn

- Phương pháp đào chỗ cao và đắp chỗ thấp sẽ dẫn đến khối lượng đào đắp

lớn, dễ bị sạt lở và ảnh hưởng nhiều đến môi trường xung quanh Để giảm khối lượng đào đắp trong phương pháp này người thiết kế thường tăng độ dốc của đường lên rất nhiều và điều chỉnh bán kính cong nằm nhỏ lại, điều này làm tuyến không được đẹp và rất dễ gây nguy hiểm cho phương tiện lưu thông

- Phương pháp đào hầm rất tốt cho khu vực miền núi vì tuyến sẽ ngắn hơn nhiều, tất cả các chỉ tiêu kỹ thuật được đảm bảo nhưng chi phí xây dựng và duy tu

điểm vượt trội hơn cho những địa hình đ ồi núi tương đối phức tạp “Metal Road

Method” được tác giả quan tâm

II M ỤC TIÊU NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI:

Nội dung luận văn tập trung giải quyết các vấn đề sau:

 Tìm hiểu một phương pháp xây dựng mới có tính ưu việt hơn so với phương pháp xây dựng đường miền núi ở nước ta hiện nay

 Xem xét tính khả thi của việc ứng dụng phương pháp này trong xây

dựng đường miền núi

III PH ẠM VI NGHIÊN CỨU:

- Nghiên cứu nguyên lý làm việc của kết cấu Metal Road

- Mô hình hoá một đoạn tuyến của tuyến đường thi công và vận hành huyện Bắc Yên tỉnh Sơn La thuộc công trình thuỷ điện Háng Đông A1 theo 2 phương án để thấy được tính khả thi của kết cấu:

 Phương án 1: Đào đắp truyền thống

 Phương án 2: Sử dụng phương pháp Metal Road

IV PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

 Dùng phần mềm Midas mô phỏng sự làm việc của mô hình Metal Road

 Dùng phần mềm Roadplane thiết kế sơ bộ tuyến

 Dùng phần dự toán ACITT lập khái toán 2 phương án

 Dùng phương pháp so sánh và phân tích đề xuất phạm vi áp dụng của phương pháp Metal Road

V H ẠN CHẾ CỦA ĐỀ TÀI:

Đề tài này chỉ đưa ra 2 phương pháp (Đào đắp truyền thống và phương pháp Metal Road) để so sánh nên sẽ hạn chế về việc đánh giá ưu điểm cũng như khuyết điểm của mỗi phương pháp

Đề tài cũng không đi sâu về lý thuyết tính động đất của phương pháp Metal Road

Hình 1 : M ột số hình ảnh về Metal Road

CHƯƠNG I TỔNG QUAN PHƯƠNG PHÁP METAL ROAD

I TÌM HI ỂU LỊCH SỬ RA ĐỜI

Phương pháp Metal Road là công nghệ xây đường của Nhật, được phát triển

bởi Tập đoàn JFE, Nhật Bản Công nghệ này đã đư ợc hội đồng thành viên công nghệ xây dựng đánh giá và chứng nhận - Trung tâm Công nghệ Quỹ bảo trì đường

chứng nhận ngày 31 tháng 3 năm 2010 Phương pháp Metal Road, để đáp ứng nhu

cầu xã hội như:

Một kết cấu đáp ứng địa hình dốc của các ngọn núi,

Để cải thiện giao thông và xây dựng các cấu kiện đúc sẵn thành các thành

phần nhỏ hơn và nhẹ hơn,

Giảm thiểu các tác động đến môi trường tự nhiên, chẳng hạn như địa hình và

thảm thực vật, đã được phát triển như một phương pháp mở rộng xây dựng đường

II KH Ả NĂNG ỨNG DỤNG:

Phương pháp Metal Road thích hợp cho xây dựng mới, mở rộng cũng như

sửa chữa đường miền núi Áp dụng cho những địa hình phức tạp và có mái dốc lớn (30 ≤ θ ≤ 90) Một số trường hợp cụ thể áp dụng phương pháp Metal Road:

1 Trường hợp để tránh tác động và bảo vệ bờ sông :

5 Trường hợp sử dụng không gian trên dốc:

6 Trong trường hợp khắc phục thảm họa:

Trường hợp thảm họa (1) Sau khi khắc phục (1)

Trường hợp thảm họa (2) Sau khi khắc phục (2)

Trường hợp thảm họa (3) Sau khi khắc phục (3)

7 Trường hợp của cung đường có bán kính nhỏ cong:

8 Trường hợp để bảo vệ bề mặt đường hiện hữu:

9 Trường hợp bắt qua một thung lũng sâu:

10 Trường hợp mở rộng một phía làn đường cao tốc:

III C ẤU TẠO CỦA PHƯƠNG PHÁP METAL ROAD

Metal Road có kết cấu được tích hợp gắn cứng móng cọc ống thép nhồi bê tông hoặc vữa xi măng với cấu trúc thượng tầng bao gồm dầm I (xà ngang và dầm chính) tạo nên khung không gian 3 chiều

Hình 2 : K ết cấu của phương pháp Metal Road

Kết cấu của phương pháp này có các tính năng sau đây:

Kết cấu khung không gian 3 chiều có độ cứng lớn, mômen max có thể nhỏ hơn các dạng kết cấu khác Khả năng chịu tải lớn đáng tin cậy của kết cấu

Kết cấu được cấu hình bởi một cấu kiện chế tạo sẵn trong nhà máy, trọng lượng nhẹ và ngắn, vận chuyển dễ dàng ngay cả trong việc vận chuyển mở rộng đường hẹp, xây dựng và lắp đặt có thể dễ dàng đó là khả năng tuyệt vời Đồng thời,

thời gian xây dựng cũng được rút ngắn

Tải trọng từ cấu trúc thượng tầng sẽ truyền đến mặt đất thông qua sự hỗ trợ

cọc ống thép nhồi bê tông hoặc vữa, không có ảnh hưởng đến sự ổn định của mặt

dốc hiện tại Trong trường hợp có một lớp sụp đổ, nó sẽ chứng tỏ vượt trội nếu lớp đất mặt không quá dày

Phương pháp này có thể được mở rộng trong khi duy trì đáng k ể thảm thực

vật và hiện trạng địa hình, gần như không có bất kỳ đất thải và đất dư thừa Bảo vệ môi trường tốt hơn so với các phương pháp xây dựng đào đắp truyền thống

Trong quá trình xây dựng không cần xây dựng đường tạm mà vẫn duy trì được giao thông hiện có

Điều kiện xây dựng ít ảnh hưởng đến các cấu trúc như cống, bức tường chôn dưới đất, đảm bảo độ rộng cần thiết cho giao thông đường bộ hiện tại Ngoài ra, đường liên kết phù hợp địa hình và tình trạng phức tạp hiện tại cụ thể của miền núi,

Hình 4 : Lo ại kiểu hẫng:

Hình 5 : Lo ại kiểu cầu

IV PH ẠM VI CỦA CÔNG NGHỆ

Phương pháp Metal Road phù hợp với độ dốc lớn hơn hoặc bằng 30 độ và chiều dày lớp phong hóa lớnhơn 2m.

Dữ liệu thống kê công trình cầu thực tế

Trong trường hợp chiều sâu đến lớp đất cứng lớn, phương pháp Metal road v ẫn phát huy hiệu quả tốt

V THI CÔNG C ỦA PHƯƠNG PHÁP METAL ROAD:

Điểm đặc biệt của phương pháp Metal Road là quá trình thi công sẽ không ảnh hưởng đến sự đi lại của các phương tiện lưu thông (trong trường hợp mở rộng đường) và luôn đảm bảo mặt bằng xây dựng, không phải tốn kém xây dựng mặt

bằng vì quá trình xây dựng hoàn toàn nằm trên mặt đường (xây dựng mới) Quá trình xây dựng của phương pháp này bao gồm 4 bước chính:

B1 Khoan, đào đất đóng cọc ống thép

B2 Đậy nắp cọc, thi công dầm - đặt tấm thép tạm tạo thành hệ giàn giáo

B3 Di chuyển trên hệ giàn giáo và thi công các cọc tiếp theo

B4 Tháo gỡ các tấm thép tạm và thi công

bản mặt cầu

Hình 8 : Bước 1: Thi công cọc ống thép

Hình 9 : Bước 2: Lắp dầm thép và bản thép tạm

Hình 10 : Bước 3: Di chuyển trên hệ giàn giáo và thi công các cọc tiếp theo

Hình 11 : Bước 4: Tháo gỡ các tấm thép tạm và thi công bản mặt cầu

CHƯƠNG II CÔNG NGHỆ CỌC BÊ TÔNG ỐNG THÉP

I

Cọc bao gồm một ống thép, đường kính của nó lớn hơn 300 mm Loại cọc ống thép khác nhau theo cấu trúc của điểm nối cọc, hình dáng và phương pháp đóng

cọc được sử dụng Nếu một cọc ống thép được làm đầy với bê tông và độ bám dính

giữa thép và bê tông là đủ, cấu trúc có thể được đánh giá như là một cấu trúc composite Việc lắp đặt các ống cọc không yêu cầu phải hoàn thành lún cuối cùng

và khả năng chịu lực theo đất nền của cọc được đánh giá theo các cọc đúc tại chỗ

ĐỊNH NGHĨA:

II TIÊU CHÍ

Cọc bê tông với một vỏ bọc thép được sử dụng như khi các ống thép được

dẫn bằng cách khoan, năng lượng đóng đó có thể không được xác định Đất phải được lôi ra từ ống thép

Tuy nhiên một lớp đất chặt mỏng có thể bị bỏ lại ở phía cuối của cọc Cọc bê tông phù hợp với các quy chế làm việc dưới nước Cọc bê tông với một vỏ bọc thép

có thể được coi là có khả năng chịu lực bằng một cọc đúc tại chỗ kê trên băng tích

hoặc hoạt động như là một cọc ma sát Thân ma sát là tối đa 70% ma sát thân của

cọc đúc tại chỗ với kích cỡ tương ứng

Khi cọc bê tông với một vỏ bọc thép được áp dụng, ống có thể được đóng

bởi búa, rung, nhấn, khoan dẫn Các bức tường cọc ống bê tông với một vỏ bọc thép

có thể mỏng hơn và chất lượng thép có thể thấp hơn so với cọc ống thép

L ỰA CHỌN CHO CỌC BÊ TÔNG ỐNG THÉP:

III

Sức kháng của cọc được xác định dựa trên sức kháng của đất nền hoặc kết

cấu của cọc và sẽ chọn giá trị nào nhỏ hơn Sức kháng theo đất nền được xác định theo điều kiện của đất, những yêu cầu được qui định cho công tác đóng cọc và qui trình kiểm tra Sức kháng theo đất nền của cọc bao gồm sức kháng mũi, và s ức kháng thân Huy động sức kháng mũi yêu cầu một độ lún khá lớn so với huy động

sức kháng thân

KH Ả NĂNG CHỊU TẢI THEO ĐẤT NỀN:

1 Xác định sức kháng:

Sức kháng theo đất nền của cọc có thể được xác định theo nhiều cách khác nhau Các phương pháp có thể được tạm chia thành các phương pháp trực tiếp và gián tiếp

Phương pháp gián tiếp Phương pháp trực tiếp

Trong giai đoạn thiết kế các phương pháp gián tiếp được sử dụng trong thiết

kế kích thước cọc, độ sâu cọc và kích thước của thiết bị đóng Trên công trường được kiểm tra bằng cách sử dụng các phương pháp trực tiếp, thường là với tải trọng

thử nghiệm động

Khả năng chịu lực của nhóm cọc là nhỏ nhất sau đây:

- Tổng khả năng chịu lực cọc đơn, điển hình cho các nhóm mũi cọc chóng,

- Khả năng chịu lực, được giả định nhóm cọc là một móng cọc đều nhau

- Hoặc tác động, mà nguyên nhân do lún cho phép lớn nhất của nhóm cọc

Z = chiều dài cọc bên trong lòng đất

Apk

f = diện tích mặt cắt ngang của mũi cọc

d = đường kính của cọc

s = ma sát thân

qp = sức kháng mũi

W = trọng lượng của cọc

Sức kháng mũi qp suy ra từ công thức: qp = σ 'vp Nq (2.2)

σ’vp = ứng suất pháp hữu hiệu ở cao đô mũi c ọc, ứng suất pháp hữu hiệu được tính toán xét tới trọng lượng của lớp đất ở vị trí tối đa 10d trên mũi cọc

Nq = hệ số sức kháng, khi xác định hệ số này góc ma sát trong được lấy như giá trị trung bình giữa 5d trên mũi cọc và 3d dưới mũi cọc Sử dụng góc ma sát Φ > 40° yêu cầu thí nghiệm nén 1 trục hoặc các thử nghiệm tại chỗ

Sức kháng mũi l ớn nhất qp ≤ 20 Mpa, nếu việc xác định các tham số cường

độ không dựa trên thí nghiệm nén 1 trục hoặc các thử nghiệm tại chỗ Thì sức kháng mũi của cọc ống thép Franki được xác định theo các hướng dẫn hợp lệ liên quan đến cọc Franki

qcyl = cường độ nén một trục của đá, [MN/m2]

Cường độ của khối đá có thể được đánh giá từ cường độ nén một trục giới

hạn Cường độ nén một trục của đá thường là 100…300 MN/m2

σ'v = ứng suất pháp hữu hiệu của đất

Hệ số áp lực đất Ks được xác định như là một hàm của góc ma sát trong Φ, đất Trong thực tế ma sát thân bị ảnh hưởng bởi tính chịu nén của đất, ứng

suất ban đầu nằm ngang của đất, kích thước và hình dạng của cọc Việc xác định chính xác sức kháng thân yêu cầu đặt tải thử

Góc ma sát Φ a giữa cọc ống thép và đất thì nhỏ hơn góc ma sát trong của đất

Φ Giảm là do tan Φ, tan Φ gi ữa đất rời và thép có được bởi giảm tan Φ

xuống hệ số 0.7

Sức kháng thân của cọc ống thép có thể là fs ≤ 0,15 Mpa

Hình 13 : H ệ số áp lực đất Ks như là một hàm của góc ma sát trong Φ

Trong lớp đất dính sức kháng thân không thể được sử dụng để duy trì tải

trọng lâu dài của cọc ống thép Trong đất sét bão hòa sức kháng thân bằng độ bám dính, khi áp lực lỗ rỗng quá mức gây ra do đóng cọc chủ yếu thì đư ợc phân tán Sức kháng thân fs

Hình 14 : H ệ số bám dính α cho cọc thép trong sét

1.2

Đối với cọc bê tông với một vỏ bọc thép, có thể được so sánh với cọc đúc tại

chỗ và xác định khả năng chịu lực được dựa trên độ sâu thâm nhập của cọc, yêu cầu

mức độ an toàn là F ≥ 2,5 N ếu một lượng lớn tải trọng thử nghiệm tĩnh hoặc động được thực hiện trên công trường, yêu cầu mức độ an toàn có thể là thấp hơn so với các hệ số an toàn được trình bày trong bảng

H ệ số mức an toàn:

Phương pháp xác định tải cuối cùng địa kỹ thuật H ệ số an toàn F

Công thức khả năng chịu tải tĩnh 2,5 3,0

2 Lún c ủa cọc:

Đánh giá lún của mũi cọc trong lớp đất là không chính xác khi thiếu kiểm tra

tải trọng Tải trọng thử nghiệm tĩnh nên được thực hiện trong một cách như vậy, lún

của cọc có thể được quan sát thấy Các phân tích lún cho một móng mũi cọc thường

dựa trên đánh giá lún của cọc đơn

= môđun của lớp đất dưới điểm đống Young (bảng 4)

Lún của nhóm cọc ma sát có thể được tính toán bằng cách sử dụng các mô hình được trình bày trong hình 15 Các mô đun nén của các lớp đất được xác định theo cách tương tự như các môđun nén của các lớp đất ở trạng thái tự nhiên

IV

Khả năng chịu lực của cơ cấu cọc được xác định bởi cường độ của cơ cấu

cọc Khả năng chịu lực cơ cấu được kiểm tra đối với các hoạt động đến từ các cấu trúc hỗ trợ Mô men uốn từ tải ngang, lệch tâm hoặc mô men ngàm có thể tải cọc Ngoài các yêu cầu của các cơ cấu hỗ trợ khả năng chịu lực của cọc cần được xem xét oắn, tải trọng phụ, chẳng hạn như ma sát âm và uốn của cọc nghiêng do lún của đất hoặc uốn gây ra bởi áp lực đất một phía hoặc kháng bên Các độ dày tường tối thiểu của cọc ống thép đóng vào đầu cọc là 10 mm Đối với các ống có đường kính

nhỏ hơn 600 mm chiều dày tường có thể là 8 mm Sự ăn mòn của cọc cần được xem xét khi xác định khả năng chịu lực cơ cấu dài hạn của cọc

KHẢ NĂNG CHỊU TẢI CỦA CỌC :

Vỏ bọc thép của cọc bê tông loại này đóng vai trò như khuôn cho vi ệc đào đất và đổ bê tông cọc Khả năng chịu tải kết cấu cọc được xác định bởi khả năng

chịu tải của bê tông cốt thép đổ tại chỗ với ống thép ngoài

(2.7)

fw = hệ số phản ánh cho sóng ứng suất tùy thuộc vào điều kiện đất đai

f0 = hệ số tùy thuộc vào giàn khoan đóng cọc f0 = ef 2, ef là hệ số hiệu quả

của búa đóng cọc

v0 = vận tốc của búa, [m / s]

E = Young modulus cho thép = 2,1 x 108 kN/m2

c = vận tốc của sóng ứng suất trong thép ≈ 5100 m / s

γ = đơn vị trọng lượng của thép = 77 kN/m3

H = độ cao thả của búa, [m]

Trừ khi có thông tin chính xác hơn về cái búa đóng cọc, phạm vi của các hệ

số f0 có thể là 0,7 0,85 Khi cọc ống thép được đóng vào một tảng đá, yếu tố phản ánh của fw sóng ứng suất khoảng giữa 1,5 1,7 Khi điểm cọc trong đất dày đặc,

fw= 1,3 1,5 Hiệu quả của búa đóng cọc và ứng suất đóng cọc được xác định với

đo sóng ứng suất, ví dụ đo theo phương pháp PDA

b) Tr ạng thái ứng suất sử dụng

Đối với cấu kiện ống thép nhồi bê tông, để đảm bảo sự làm việc liên hợp, các điều kiện dưới đây phải thỏa mãn:

Diện tích ống thép bê tông không được nhỏ hơn 4% diện tích mặt cấu kiện Cường độ bê tông nằm trong khoảng 20-55Mpa AISC giới hạn cận dưới

nhằm đảm bảo mức độ kiểm soát chất lượng, trong khi giới hạn cận trên là do số lượng thí nghiệm kết cấu ống thép nhối bê tông với cường độ cao hơn chưa đầy đủ

Để đảm bảo cường độ chống uốn cục bộ, chiều dày tối thiểu của ống thép yêu cầu : D f y / 8E s (2.8)

D = đường kính ống thép

Es = mô đun đàn hồi thép

Fy = cường độ chảy của thép

K ết cấu chịu nén dọc trục:

Về cơ bản tính toán khả năng chịu nén của cấu kiện ống thép nhồi bê tông áp

dụng công thức như đối với kết cấu thông thường, điểm khác biệt là đặc trưng hình

học của mặt cắt thép được thay bằng các trị số tương ứng của mặt cắt liên hợp Khả năng chịu lực dọc tính bằng công thức:

2 2

F KL

λλ

ϕc = hệ số chịu tải lấy bằng 0.85

rm= bán kính quán tính tính đổi của mặt cắt liên hợp

AS = diện tích phần thép

Ac = diện tích phần bê tông

Ec = mô đun đàn hồi của bê tông

K = hệ số chiều dài có hiệu

L = chiều dài tính toán

tổng khả năng chịu lực của tiết diện thép và bê tông Tiêu chuẩn AISC cũng cho

rằng việc tính toán mô men quán tính theo phương pháp thông thường không thể áp

dụng đối với cấu kiện loại này, vì mặc dù cả hai vật liệu thép và bê tông trên mặt cắt điều chịu biến dạng uốn, nhưng một trong 2 vật liệu sẽ đóng vai trò chính tạo ra độ

cứng chống uốn phụ thuộc vào kích thước hình học của mặt cắt cụ thể là bề rộng

của mặt cắt và chiều dày ống thép Do vậy AISC cho rằng nếu tiết diện thép chiếm

ưu thế, bán kính quán tính của ống thép dùng để tính toán và trong trường hợp ngược lại bán kính quán tính của bê tông sẽ được sử dụng trong tính toán độ cứng

chống uốn Tóm lại theo AISC thì trị số rm nên lấy bằng bán kính quán tính của ống thép, nhưng không nhỏ hơn 30% chiều dày của tiết diện liên hợp tại mặt cắt chịu

uốn

K ết cấu chịu uốn:

Công thức kiểm toán đối với mặt cắt ống thép nhồi bê tông đối xứng qua mặt

phẳng uốn như sau:

P P

φ <

= hệ số chịu tải lấy bằng 0.85

Tiêu chuẩn AISC cho rằng cường độ uốn tính toán dựa trên sự phân bổ cường độ đàn hồi trên mặt cắt và qui định hệ số triết giảm theo kinh nghiệm đối với

hệ số này trong trường hợp có neo chống cắt hay liên hợp khi :

(2.12)

Cường độ kháng nén:

Đối với mặt cắt ít nhất qua một mặt phẳng chịu nén thuần tuý hay đống thời

vừa nén vừa uốn trong mặt phẳng đối xứng Sức kháng tính toán của các cấu kiện trong chịu nén, Pr, phải được lấy như sau: P r =φc P n (2.13)

trong đó:

Pn = sức kháng nén danh định theo quy định ở các Điều 6.9.4 và 6.9.5 (N)

ϕc = hệ số sức kháng đối với nén theo quy định trong Điều 6.5.4.2

Nén dọc trục và uốn kết hợp

Tải trọng nén dọc trục, Pu, và các mômen xảy ra đồng thời, Muxvà Muy

2 8

(2.14)

Pr = sức kháng nén tính toán theo quy định trong Điều 6.9.2.1 (N)

Mrx = sức kháng uốn tính toán theo trục x theo quy định trong các Điều 6.10.6.11 và 6.12 (N-mm)

Mry = sức kháng uốn tính toán theo trục y theo quy định trong các Điều 6.10.6.11 và 6.12 (N-mm)

Mux = mômen uốn tính toán theo trục x được tính toán theo quy định ở bên dưới (N-mm)

Muy = mômen uốn tính toán theo trục y được tính toán theo quy định ở bên dưới (N-mm)

Các mômen Muxvà Muy theo các trục đối xứng, có thể được xác định bằng

hoặc

• Sự phân tích đàn hồi bậc hai, có tính đến độ khuyếch đại mômen gây ra bởi

tải trọng trục tính toán, hoặc

• Sự điều chỉnh gần đúng một bước nhưquy định trong Điều 4.5.3.2.2b

trong đó:

K = hệ số chiều dài hiệu dụng quy định trong Điều 4.6.2.5

l = chiều dài không giằng (mm)

CHƯƠNG III D ẦM THÉP LIÊN HỢP BẢN BÊ TÔNG CỐT THÉP

I

Dầm liên hợp thép – BTCT (bê tông cốt thép) gồm hai loại vật liệu: bản bê tông cốt thép và dầm thép liên kết với nhau bằng các neo Bản BTCT vừa làm việc

với tư cách là bản mặt cầu, vừa là một thành phần của dầm chủ

Do đặc điểm cấu tạo như trên nên dầm liên hợp tiết kiệm thép cho dầm chủ, ngoài ra bản mặt cầu còn thay thế cho hệ liên kết dọc trên nên chỉ cần bố trí cho hệ liên kết dọc dưới Ngoài ra, trong giai đoạn thi công bằng nhiều biện pháp có thể điều chỉnh nội lực trong dầm theo ý muốn Tuy nhiên nhược điểm trong dầm liên

hợp là tĩnh tải mặt cầu lớn

Thông thường khi lắp ráp kết cấu nhịp, lúc đầu sẽ đặt các dầm thép lên trụ, sau đó đổ bê tông bản tại chổ hay đặt các bản BTCT lắp ghép Sau khi thực hiện công tác này, ở trường hợp đầu, bê tông còn chưa đông c ứng, trường hợp thứ hai

bản còn chưa liên kết với dầm Do đó phần tĩnh tải thứ nhất (gồm trọng lượng dầm thép và bản BTCT) sẽ do dầm thép chịu (giai đoạn 1) Về sau khi bê tông đã đông

cứng hoặc các khối lắp ghép đã đư ợc liên kết với dầm và các tĩnh t ải bổ sung (lớp

phủ, lan can…) cũng như hoạt tải do dầm liên hợp chịu (giai đoạn 2)

Như vậy dầm liên hợp sẽ làm việc theo 2 giai đoạn:

Giai đoạn I: lắp xong dầm thép và các liên kết, đổ bê tông tại chổ hoặc lắp ghép bản mặt cầu nhưng bản mặt cầu chưa liên kết cứng với dầm thép Ở giai đoạn này mới chỉ có dầm thép làm việc nên các đặc trưng hình học của dầm thép còn gọi

là đặc trưng hình học giai đoạn I Tĩnh tải giai đoạn I gồm có trọng lượng bản thân

dầm thép và các liên kết, trọng lượng bản thân bê tông vả các phần đổ cùng với

bản…, tĩnh tải này được kí hiệu là q

NGUYÊN LÝ LÀM VI ỆC CỦA DẦM LIÊN HỢP:

tcI (tĩnh tải tiêu chuẩn) và quIGiai đoạn II: sau khi dầm thép đã liên kết cứng với bản BTCT, tĩnh tải giai đoạn II gồm có lớp phủ mặt cầu, lan can tay vịn, lề người đi…, tĩnh tải này được kí

hiệu là q

(tĩnh tải tính toán)

tcII và quII Mặt cắt dầm ở giai đoạn II có cả thép và bản BTCT, các đặc

trưng hình học của mặt cắt này gọi là đặc trưng hình h ọc giai đoạn II Trong giai đoạn này dầm liên hợp chịu thêm phần tĩnh tải bổ sung và hoạt tải

II

Bản BTCT mặt cầu cùng tham gia chịu uốn với dầm chủ nên cấu tạo hợp lý

là cánh trên của dầm thép phải nhỏ hơn cánh dưới, trừ những dầm ngắn dùng thép hình cán sẵn mới có hai nhánh bằng nhau, như vậy nói chung dầm liên hợp giảm được khối lượng thép và tăng được độ cứng đáng kể

Trong cầu dầm giản đơn dùng dầm liên hợp rất phù hợp vì toàn bộ bản mặt

cầu bằng BTCT được bố trí trên suốt chiều dài nhịp đều nằm trong khu vực chịu nén Trong dầm liên tục thì có những đoạn dầm chịu mô men âm, mặt cầu sẽ chịu kéo, khi đó giải pháp thiết kế sẽ hoặc không có bản mặt cầu tham gia chịu lực bằng cách không tạo liên kết giữa dầm thép và bản BTCT, hoặc vẫn cho BTCT tham gia

chịu lực nhưng vẫn có biện pháp kèm theo như tạo dự ứng lực trong bản BTCT

hoặc bố trí cốt thép đặc biệt để chịu lực kéo trong bản BTCT

ĐẶC ĐIỂM CẤU TẠO CỦA DẦM LIÊN HỢP:

III

Mặt cắt ngang của dầm liên hợp gồm có dầm thép và BTCT cùng làm việc

với nó Vật liệu làm các bộ phận này của mặt cắt có các đặc trưng cơ học khác nhau

và tùy theo ứng suất tác dụng lên chúng, nó có thể làm việc trong giai đoạn đàn hồi giai đoạn đàn hồi dẻo hay gai đoạn dẻo

Khi tính dầm liên hợp, thường áp dụng một số giả thiết để đơn giản hóa tính toán và như kết quả thực nghiệm đã chỉ rõ, chúng phản ánh tương đối sát với điều

kiện thực tế của kết cấu

NGUYÊN LÝ TÍNH TOÁN D ẦM THÉP – BTCT LIÊN HỢP:

Khi tính toán dầm liên hợp, thường áp dụng một số giả thiết để đơn giản hóa tính toán và như kết quả thực nghiệm đã chỉ rõ, chúng phản ánh tương đối sát với điều kiện lảm việc thực tế của kết cấu Sẽ cho rằng giả thiết về mặt cắt phẳng là đúng Tiếp đó lấy biểu đồ nén của bêtông gồm hai đoạn thẳng Khi ứng suất trong bêtông chưa vượt quá cường độ tính toán, bêtông làm việc trong giai đoạn đàn hồi, khi ứng suất bằng cường độ tính toán , bêtông làm việc trong giai đoạn dẻo và biến

dạng tiếp tục tăng trong khi ứng suất không tăng Sẽ cũng dùng những giả thiết tương tự đối với sự làm việc của cốt thép trong bản bêtông Dầm thép được xem như làm việc đàn hồi: trạng thái giới hạn khi tính theo cường độ là sự xuất hiện

chảy của thép dầm hoặc biến dạng giới hạn nén trong bêtông, mà bêtông làm việc trong giai đoạn dẻo

Để đơn giản hóa tính toán, bỏ qua khả năng làm việc đàn dẻo của bản: coi bê tông làm việc trong dầm bằng hai loại vật liệu, hoặc trong giai đoạn đàn hồi, hoặc trong giai đoạn dẻo mà có biểu đồ ứng suất hình chữ nhật

Giả thiết này làm mất tính liên tục của quá trình thay đ ổi ứng suất trong thép

và bê tông khi mômen uốn tăng lên, nhưng vì chi ều dày bản BTCT tương đối nhỏ nên vấn đề này thường không giữ vai trò quan trọng Bằng cách gần đúng sẽ cũng xét tới sự ảnh hưởng từ biến của bêtông

Tùy theo trị số của ứng suất nén gây ra trong bản BTCT mà sẽ phân chia làm

mấy trường hợp làm việc của mặt cắt liên hợp Sơ đồ tính toán cơ bản của mặt cắt liên hợp vẩn là sự làm việc đàn hồi và dựa trên giả thiết về mặt cắt phẳng, ứng suất

và biến dạng có quan hệ tuyết tính với nhau Sơ đồ tính toán này được áp dụng khi ứng suất ở trong bản không vượt quá cường độ tính toán chịu ép của bê tông và

cũng xác định độ biến dạng của kết cấu

Trường hợp ứng suất trong bản bêtông vượt quá cường độ tính toán của bêtông khi ép thì sẽ coi là bêtông làm việc trong giai đoạn dẻo và toàn mặt cắt

bêtông đạt tới cùng một trị số ứng suất là cường độ tính toán khí nén của bêtông, còn phần mặt cắt dầm thép vẫn làm việc đàn hồi

Trường hợp bản BTCT rơi vào khu chịu kéo, đối với cầu xe lửa quy định không cho phép bản bêtông tham gia chịu lực, nếu không có những biện pháp đặc

biệt để nén trước bêtông Đối với cầu ôtô thì cho phép có thể cho bản tham gian làm

việc cùng với dầm thép nhưng phải đảm bảo ứng suất trong bêtông không vượt quá cường độ tính toán khi kéo

IV

Khi tính đặc trưng hình học của dầm thép liên hợp ta đổi từ bê tông sang thép

bằng cách chia các đặc trưng hình h ọc của phần bê tông cho n (tỷ số các mô đun đàn hồi n = E

TÍNH ĐẶC TRƯNG HÌNH HỌC CỦA DẦM LIÊN HỢP

th

b th

th th b b

A a

A n

A n

Trục 2‐2 là trục trọng tâm của tiết diện liên hợp thép‐BTCT

Nếu trục 2‐2 là trục trọng tâm của tiết diện liên hợp thì tổng mô men tĩnh = 0

(3.1)&(3.2)

Chú ý: khi tính với tải trọng dài hạn, sẽ kể đến hiện tượng từ biến và các biểu

thức về đặc trưng hình học tiết diện liên hợp sẽ thay n bằng 3n