(Luận văn thạc sĩ) - Nghiên cứu kết cấu cầu máng xi măng lưới thép ứng suất trước căng trước

(Luận văn thạc sĩ) - Nghiên cứu kết cấu cầu máng xi măng lưới thép ứng suất trước căng trước(Luận văn thạc sĩ) - Nghiên cứu kết cấu cầu máng xi măng lưới thép ứng suất trước căng trước(Luận văn thạc sĩ) - Nghiên cứu kết cấu cầu máng xi măng lưới thép ứng suất trước căng trước(Luận văn thạc sĩ) - Nghiên cứu kết cấu cầu máng xi măng lưới thép ứng suất trước căng trước(Luận văn thạc sĩ) - Nghiên cứu kết cấu cầu máng xi măng lưới thép ứng suất trước căng trước(Luận văn thạc sĩ) - Nghiên cứu kết cấu cầu máng xi măng lưới thép ứng suất trước căng trước(Luận văn thạc sĩ) - Nghiên cứu kết cấu cầu máng xi măng lưới thép ứng suất trước căng trước(Luận văn thạc sĩ) - Nghiên cứu kết cấu cầu máng xi măng lưới thép ứng suất trước căng trước(Luận văn thạc sĩ) - Nghiên cứu kết cấu cầu máng xi măng lưới thép ứng suất trước căng trước(Luận văn thạc sĩ) - Nghiên cứu kết cấu cầu máng xi măng lưới thép ứng suất trước căng trước(Luận văn thạc sĩ) - Nghiên cứu kết cấu cầu máng xi măng lưới thép ứng suất trước căng trước(Luận văn thạc sĩ) - Nghiên cứu kết cấu cầu máng xi măng lưới thép ứng suất trước căng trước(Luận văn thạc sĩ) - Nghiên cứu kết cấu cầu máng xi măng lưới thép ứng suất trước căng trước(Luận văn thạc sĩ) - Nghiên cứu kết cấu cầu máng xi măng lưới thép ứng suất trước căng trước(Luận văn thạc sĩ) - Nghiên cứu kết cấu cầu máng xi măng lưới thép ứng suất trước căng trước(Luận văn thạc sĩ) - Nghiên cứu kết cấu cầu máng xi măng lưới thép ứng suất trước căng trước(Luận văn thạc sĩ) - Nghiên cứu kết cấu cầu máng xi măng lưới thép ứng suất trước căng trước(Luận văn thạc sĩ) - Nghiên cứu kết cấu cầu máng xi măng lưới thép ứng suất trước căng trước(Luận văn thạc sĩ) - Nghiên cứu kết cấu cầu máng xi măng lưới thép ứng suất trước căng trước(Luận văn thạc sĩ) - Nghiên cứu kết cấu cầu máng xi măng lưới thép ứng suất trước căng trước(Luận văn thạc sĩ) - Nghiên cứu kết cấu cầu máng xi măng lưới thép ứng suất trước căng trước(Luận văn thạc sĩ) - Nghiên cứu kết cấu cầu máng xi măng lưới thép ứng suất trước căng trước(Luận văn thạc sĩ) - Nghiên cứu kết cấu cầu máng xi măng lưới thép ứng suất trước căng trước(Luận văn thạc sĩ) - Nghiên cứu kết cấu cầu máng xi măng lưới thép ứng suất trước căng trước(Luận văn thạc sĩ) - Nghiên cứu kết cấu cầu máng xi măng lưới thép ứng suất trước căng trước(Luận văn thạc sĩ) - Nghiên cứu kết cấu cầu máng xi măng lưới thép ứng suất trước căng trước

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

BÙI VĂN TRUNG

NGHIÊN CỨU KẾT CẤU CẦU MÁNG XI MĂNG LƯỚI THÉP

ỨNG SUẤT TRƯỚC CĂNG TRƯỚC

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

BÙI VĂN TRUNG

NGHIÊN CỨU KẾT CẤU CẦU MÁNG XI MĂNG LƯỚI THÉP

ỨNG SUẤT TRƯỚC CĂNG TRƯỚC

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình thủy

Mã số: 60580202

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS VŨ HOÀNG HƯNG

HÀ NỘI, NĂM 2018

LỜI CAM ĐOAN

Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận văn là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định

Tác giả luận văn

Bùi Văn Trung

LỜI CÁM ƠN

Sau thời gian thực hiện, với sự nỗ lực của bản thân cùng với sự giúp đỡ tận tình của

các Thầy và các bạn bè đồng nghiệp, Luận văn thạc sĩ: “Nghiên cứu kết cấu cầu măng xi măng lưới thép ứng suất trước căng trước” đã hoàn thành

Tác giả xin chân thành cảm ơn đến Ban Giám Hiệu, Phòng đào tạo Đại học và Sau đại học, Bộ môn Kết cấu công trình, Khoa Công trình, Trường Đại học Thuỷ Lợi đã giúp

đỡ tạo điều kiện tốt nhất cho học viên trong thời gian thực hiện Luận văn

Tác giả xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn, giúp đỡ tận tình của PGS.TS.Vũ Hoàng Hưng, đã tận tình hướng dẫn tác giả và có những ý kiến quý báu trong quá trình thực hiện Luận văn Thầy đã tạo điều kiện tốt nhất cho học viên trong quá trình học tập và hoàn thành Luận văn

Tác giả chân thành cám ơn các đồng nghiệp và bạn bè đã nhiệt tình giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả trong quá trình học tập và thực hiện Luận văn

Do năng lực bản thân còn nhiều hạn chế, chắc chắn Luận văn không tránh khỏi những thiếu sót Tác giả kính mong các Thầy Cô chỉ bảo, các đồng nghiệp đóng góp ý kiến để tác giả có thể hoàn thiện, tiếp tục nghiên cứu và phát triển đề tài

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU v

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 2

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

4 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu 3

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 3

6 Cấu trúc của Luận văn 3

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CẦU MÁNG XI MĂNG LƯỚI THÉP ỨNG SUẤT TRƯỚC 4

1.1 Tổng quan về cầu máng xi măng lưới thép [6] 4

1.1.1 Khái quát chung 4

1.1.2 Các hình dạng kết cấu cầu máng xi măng lưới thép 7

1.1.3 Phương pháp tính toán cầu máng xi măng lưới thép 14

1.2 Tổng quan về kết cấu ứng suất trước [6][7][8] 16

1.2.1 Khái quát về cầu máng xi măng lưới thép ứng suất trước 16

1.2.2 Phương pháp tạo ứng suất trước 17

1.2.3 Phương pháp tính toán cầu máng XMLT-ƯST 19

Kết luận Chương 1 23

CHƯƠNG 2 TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT BIẾN DẠNG CỦA CẦU MÁNG XMLT-ƯST CĂNG TRƯỚC 24

2.1 Đặt vấn đề 24

2.2 Mô hình CM-XMLT-UST 25

2.2.1 Mô tả kết cấu cầu máng chữ U [6] 25

2.2.2 Mô hình hóa kết cấu cầu máng xi măng lưới thép ứng suất trước 25

2.2.3 Chỉnh sửa mô hình CM-XMLT-UST 27

2.2.4 Lập trình tính kết cấu cầu máng bằng ngôn ngữ APDL 28

2.2.5 Tính toán chuyển vị, ứng suất của cầu máng xi măng lưới thép ứng suất trước 29

2.2.6 Kiểm tra độ tin cậy của chương trình 33

2.3 So sánh kết quả ứng suất, chuyển vị CM-XMLT-ƯST căng trước và căng sau 34

2.4 Nghiên cứu ảnh hưởng của lực căng cáp đến trạng thái ứng suất biến dạng của cầu

máng 35

2.4.1 Số liệu tính toán của CM-XMLT-ƯST căng trước 35

2.4.2 Bảng tra chuyển vị, ứng suất của cầu máng xi măng lưới thép ứng suất trước 36

2.5 Ảnh hưởng của chiều dày đáy máng đến khả năng chịu lực của cầu máng 46

2.6 Lựa chọn sơ bộ kích thước CM-XMLT-ƯST căng trước 53

2.6.1 Nguyên tắc chung 53

2.6.2 Lựa chọn kích thước các bộ phận của cầu máng 54

Kết luận Chương 2 55

CHƯƠNG 3: ÁP DỤNG KẾT CẤU ỨNG SUẤT TRƯỚC CĂNG TRƯỚC CHO CẦU MÁNG BẢN THÍN – LẠNG SƠN 56

3.1 Quy mô công trình 56

3.2 Lựa chọn phương án kết cấu thân máng 56

3.2.1 Cơ sở tính toán 56

3.2.2 Số liệu tính toán 57

3.2.3 Kết quả tính toán 58

3.2.4 Chọn thép ứng suất trước 58

3.2.5 Tính tổn hao ứng suất trước 59

3.2.6 Kết quả tính toán ứng suất trong thời gian khai thác 61

3.2.7 Bố trí cốt thép 62

Kết luận Chương 3 63

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 64

1 Kết luận 64

2 Kiến nghị 64

TÀI LIỆU THAM KHẢO 65

DANH MỤC HÌNH

Hình 1 1 Sơ đồ kết cấu cầu máng 4

Hình 1 2 Hình dạng mặt cắt thân máng 7

Hình 1 3 Cấu tạo thân máng 8

Hình 1 4 Hình dạng kết cấu thân máng XMLT chữ U 12

Hình 1 5 Cấu tạo mố biên 12

Hình 1 6 Các loại mố trụ giữa cầu máng 13

Hình 1 7 Các loại khe co giãn thường dùng 13

Hình 1 8 Sơ đồ áp lực nước 14

Hình 1 9 Tác dụng của lực căng trước 17

Hình 1 10 Phương pháp căng trước 18

Hình 1 11 Phương pháp căng sau 18

Hình 2 1 Kết cấu thân máng 25

Hình 2 2 Mô hình cầu máng chữ U nhịp đơn L =10 m 30

Hình 2 3 Mặt cắt ngang CM-XMLT-ƯST 30

Hình 2 4 Phân bố chuyển vị đứng UY tại mặt cắt giữa nhịp của CM-XMLT-ƯST 31

Hình 2 5 Phân bố ứng suất dọc SZ tại mặt cắt giữa nhịp của CM-XMLT-ƯST 31

Hình 2 6 Mặt cắt ngang CM-XMLT-ƯST căng trước 33

Hình 2 7 Đường biểu diễn ứng suất SZ theo chiều dài máng ở đáy máng tại mặt cắt giữa nhịp do tổ hợp tải trọng TH gây ra 38

Hình 2 8 Đường biểu diễn chuyển vị UY theo chiều dài L ở đáy máng tại mặt cắt giữa nhịp do tổ hợp tải trọng TH gây ra 39

Hình 2 9 Đường biểu diễn ứng suất SZ theo chiều dài máng ở đáy máng tại mặt cắt giữa nhịp do tổ hợp tải trọng TH gây ra 41

Hình 2 10 Đường biểu diễn chuyển vị UY theo chiều dài L ở đáy máng tại mặt cắt giữa nhịp do tổ hợp tải trọng TH gây ra 42

Hình 2 11 Đường biểu diễn ứng suất SZ theo chiều dài L ở đáy máng tại mặt cắt giữa nhịp do tổ hợp tải trọng TH gây ra 44

Hình 2 12 Đường biểu diễn chuyển vị UY theo chiều dài ở đáy máng tại mặt cắt giữa nhịp do tổ hợp tải trọng TH gây ra 45

Hình 2 13 Đường biểu diễn ứng suất SZ theo chiều dài máng ở đáy máng tại mặt cắt giữa nhịp do tổ hợp tải trọng TH gây ra 48

Hình 2 14 Đường biểu diễn chuyển vị UY theo chiều dài máng ở đáy máng tại mặt cắt giữa nhịp do tổ hợp tải trọng TH gây ra 49Hình 2 15 Đường biểu diễn ứng suất SZ theo chiều dài máng ở đáy máng tại mặt cắt giữa nhịp do tổ hợp tải trọng TH gây ra 51Hình 2 16 Đường biểu diễn chuyển vị UY theo chiều dài máng ở đáy máng tại mặt cắt giữa nhịp do tổ hợp tải trọng TH gây ra 52Hình 3.1 Mặt cắt ngang cầu máng Bản Thín 57Hình 3.2 Bố trí cốt thép cầu máng ỨST và thép cầu máng thường 62

DANH MỤC HÌNH

Bảng 1.1 Ứng suất kéo trước giới hạn k (daN/cm2) 19

Bảng 1.2 Tổ hợp tổn hao ƯST của các giai đoạn 22

Bảng 2.1 Chuyển vị đứng UY tại mặt cắt giữa nhịp của CM-XMLT-ƯST 32

Bảng 2.2 Ứng suất tại mặt cắt giữa nhịp của CM-XMLT-ƯST 32

Bảng 2.3 Chuyển vị UY tại mặt cắt giữa nhịp của CM-XMLT-ƯST 33

Bảng 2.4 Ứng suất SZ tại mặt cắt giữa nhịp của CM-XMLT-ƯST 33

Bảng 2.5 So sánh ứng suất SZ tại mặt cắt giữa nhịp của CM-XMLT-ƯST 34

Bảng 2.6 So sánh chuyển vị đứng UY tại mặt cắt giữa nhịp của CM-XMLT-ƯST 34

Bảng 2.7 Kích thước mặt cắt ngang CM-XMLT-ƯST căng trước 35

Bảng 2.8 Ứng suất SZ tại đáy cầu máng ứng với R=0,6 m 37

Bảng 2.9 Chuyển vị UY ở đáy máng tại mặt cắt giữa nhịp của cầu máng với R=0,6 38 Bảng 2.10 Ứng suất SZ tại đáy cầu máng ứng với R=0,8 m 40

Bảng 2.11 Chuyển vị UY ở đáy máng tại mặt cắt giữa nhịp của cầu máng ứng với R=0,8m 41

Bảng 2.12 Ứng suất SZ tại đáy cầu máng ứng với R=1,0 m 43

Bảng 2.13 Chuyển vị UY ở đáy máng tại mặt cắt giữa nhịp của cầu máng với R=1,0m 44 Bảng 2.14 Kích thước mặt cắt ngang CM-XMLT-ƯST căng trước 46

Bảng 2.15 Ứng suất SZ tại đáy cầu máng ứng với t0=0.2 m 47

Bảng 2.16 Chuyển vị UY ở đáy máng tại mặt cắt giữa nhịp của cầu máng ứng với t0=0.2m 48

Bảng 2.17 Ứng suất SZ tại đáy cầu máng ứng với t0=0.25 m 50

Bảng 2.18 Chuyển vị UY ở đáy máng tại mặt cắt giữa nhịp của cầu máng ứng với t0=0.25m 51

Bảng 3.1 Bảng xác định tổn hao h5 và h7 60

Hình 3.2 Bố trí cốt thép cầu máng ỨST và thép cầu máng thường 62

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Kết cấu xi măng lưới thép (XMLT) ra đời cách đây trên 150 năm nhưng đã bị lãng quên trong gần 100 năm và bắt đầu được khôi phục lại vào những năm đầu của thập kỷ

40 của thế kỷ trước Tuy nhiên XMLT của các nước đều ít ứng dụng vào lĩnh vực kênh máng, cầu máng XMLT trong công trình thủy lợi (CTTL)

Ở Việt Nam những nghiên cứu về lý thuyết và công nghệ chế tạo XMLT trong lĩnh vực thủy lợi phát triển mạnh vào những năm 1990 Bao gồm các đề tài nghiên cứu về tính toán thiết kế, công nghệ chế tạo kênh máng và CM-XMLT nhịp ngắn, nhịp lớn Tiếp đến là giáo trình, tài liệu tính toán XMLT cũng được biên soạn Các tiêu chuẩn, quy trình về hướng dẫn tính toán thiết kế Cầu máng vỏ mỏng XMLT cũng được ban hành lần lượt các năm 2006 và 2012 [1][2][3][4][5]

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

Để có thể tận dụng hết khả năng chịu lực của cấu kiện XMLT, đồng thời đáp ứng được yêu cầu của thực tế ngày càng cao đối với cầu máng nhịp lớn… đòi hỏi phải đi sâu nghiên cứu hình thức kết cấu của CM-XMLT nhịp lớn Sử dụng kết cấu cầu máng xi măng lưới thép ứng suất trước nhịp lớn là một giải pháp đem lại hiệu quả cao khi tăng nhịp của cầu máng

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

Để tạo ƯST trong các kết cấu BTCT nói chung hay XMLT nói riêng, cốt thép được

kiện chịu nén Căn cứ vào cốt thép căng trước hay sau có thể phân thành hai loại: phương pháp căng trước và phương pháp căng sau

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

Trong nghiên cứu của TS Phạm Cao Tuyến đã xây dựng Chương trình tính toán mô phỏng CM-XMLT-ƯST với mô hình cáp ƯST đặt thẳng và sử dụng phương pháp căng sau Do cáp ƯST được neo tại hai đầu máng, khi căng cáp ƯST trong thép qua đầu neo truyền vào thân máng, cáp và thành lỗ không tiếp xúc, dây cáp vẫn thẳng trong khi thân máng bị vồng lên hoặc lõm xuống so với trạng thái ban đầu vì vậy thường phát sinh ứng suất cục bộ lớn khi tăng chiều dài nhịp máng dẫn đến phá hoại cục bộ tại đầu neo

Trong phương pháp căng trước cốt thép được kéo căng trên bệ chuyên dụng và được neo vào giá đỡ của bệ căng Sau khi căng cốt thép xong, đổ vữa xi măng và bảo dưỡng, đợi cho vữa xi măng đạt tới một cường độ chịu lực (thường không dưới 70% cường độ thiết kế) để bảo đảm cho thép ƯST và vữa xi măng có đủ lực dính, tiếp đến cắt rời cốt thép khỏi giá căng Do thép ƯST co lại làm cho cầu máng chịu nén trước trên toàn bộ chiều dài máng

Để khắc phục những nhược điểm của phương pháp căng sau đối với cầu máng nhịp lớn và khắc phục những hạn chế của Chương trình CM-XMLT-ƯST tác giả đã lựa

chọn đề tài luận văn “Nghiên cứu kết cấu cầu máng xi măng lưới thép ứng suất trước căng trước” sẽ có ý nghĩa khoa học và thực tiễn

2 Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu trạng thái ứng suất và biến dạng cầu máng xi măng lưới thép ứng suất trước (CM-XMLT-ƯST) căng trước

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của Luận văn là kết cấu CM-XMLT-ƯST căng trước Đây là một loại kết cấu được coi là mới đối với CM-XMLT ở Việt Nam, vì vậy rất nhiều vấn

đề cần phải nghiên cứu như: nội lực, biến dạng của kết cấu tương ứng với các loại kích thước, hình dạng cầu máng; mối quan hệ giữa nội lực, biến dạng với lực căng của cáp ƯST Do thời gian nghiên cứu còn hạn chế nên chỉ có thể nghiên cứu trong phạm vi giới hạn sau:

Phân tích lựa chọn mô hình tính toán, chỉnh sửa mô hình tính toán đã có, thực nghiệm trên máy tính nghiên cứu về quy luật ứng suất và biến dạng của CM-XMLT thường và CM-XMLT-ƯST căng trước

4 Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu

Luận văn sử dụng các phương pháp nghiên cứu phổ biến ở trong nước và trên thế giới như:

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

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

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

5.1 Ý nghĩa khoa học

Hoàn thiện mô hình kết cấu CM-XMLT-ƯST căng trước

Làm sáng tỏ trạng thái ứng suất biến dạng của kết cấu CM-XMLT-ƯST căng trước

Xác định được ảnh hưởng của một vài tham số đến trạng thái ứng suất biến dạng của cầu máng

5.2 Ý nghĩa thực tiễn

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

6 Cấu trúc của Luận văn

Chương 1: Tổng quan về cầu máng xi măng lưới thép ứng suất trước

Chương 2: Nghiên cứu trạng thái ứng suất biến dạng của cầu máng XMLT-UST căng trước

Chương 3: Áp dụng kết cấu ứng suất trước căng trước cho cầu máng Bản Thín – Lạng

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CẦU MÁNG XI MĂNG LƯỚI THÉP ỨNG SUẤT TRƯỚC

1.1 Tổng quan về cầu máng xi măng lưới thép [6]

1.1.1 Khái quát chung

Cũng giống như cầu máng BTCT, CM-XMLT cũng là một loại công trình dẫn nước thường được dùng khi các tuyến kênh dẫn nước cần phải vượt qua các vùng địa hình bị chia cắt như: sông, suối, thung lũng, kênh rạch, vùng đất trũng… hoặc thay thế cho một đoạn kênh qua vùng đất thấm nước nhiều

CM-XMLT gồm các bộ phận chính: cửa vào, cửa ra, thân máng, trụ đỡ (hình 1.1)

Việc bố trí và thiết kế cửa vào, cửa ra, tính toán thuỷ lực trong máng, tính toán dòng chảy tại cửa vào cửa ra, các biện pháp chống thấm, chống xói lở, trvănh lắng đọng bùn cát… trong luận văn này sẽ không đề cập đến Luận văn chủ yếu đi sâu vào các phần nghiên cứu nội lực kết cấu thân máng XMLT

1 Cửa vào; 2 Mố biên trọng lực; 3 Thân máng; 4 Trụ đỡ khung kép; 5 Trụ đỡ khung đơn;

6 Móng trụ đỡ; 7 Khe co giãn; 8 Cửa ra; 9 Kênh;10 Mặt đất tự nhiên

Hình 1 1 Sơ đồ kết cấu cầu máng Kết cấu thân máng được phân thành hai loại: kiểu dầm và kiểu vòm, thông thường dùng kiểu dầm Thân máng kiểu dầm có đặc điểm chịu lực như một dầm có gối đỡ là các trụ giữa và mố biên Tuỳ theo vị trí các gối tựa và vị trí các khớp nối, thân máng kiểu dầm lại được phân thành hai loại: loại dầm đơn, loại dầm một nhịp có mút thừa hoặc dầm liên tục Đối với cầu máng BTCT chủ yếu sử dụng nhịp kiểu dầm đơn thường không vượt quá 10 m, và nhịp cầu máng kiểu mút thừa (khoảng cách giữa hai gối đỡ) thường không quá 25 m Với CM-XMLT thường chỉ sử dụng nhịp kiểu dầm

đơn với chiều dài không quá 6 m Do đó cần phải nghiên cứu thêm các hình thức kết cấu thân máng để có thể tăng chiều dài nhịp máng, giảm trọng lượng bản thân, tiết kiệm vật liệu

1.1.2 Các hình dạng kết cấu cầu máng xi măng lưới thép

1.1.2.1 Các hình dạng kết cấu thân máng

Thân máng XMLT có hình dạng vỏ trụ mỏng, mặt cắt ngang của thân máng có thể là hình chữ nhật, hình thang, hình chữ U, hình parabol… (hình 1.2) Chọn hình thức mặt cắt thân máng phải dựa vào tính toán thủy lực, vật liệu làm cầu máng, phương pháp thi công, hình thức kết cấu trụ đỡ, đoạn nối tiếp cửa vào, cửa ra Hình thức mặt cắt thân máng thường dùng là hình chữ nhật, hình thang và hình chữ U

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

a Hình chữ nhật; b Hình thang; c Hình chữ U; d Hình elip; e Hình parabôn

Hình 1 2 Hình dạng mặt cắt thân máng Cầu máng mặt cắt chữ nhật và hình thang có cấu tạo đơn giản, dễ thi công, dễ nối tiếp

hình chữ nhật, khả năng chịu lực của cầu máng chữ U cũng tốt hơn, trọng lượng của cầu máng này khá nhẹ, nên rất thuận tiện cho việc đúc sẵn và lắp ghép Các mặt cắt khác ít dùng vì tính toán và thi công khá phức tạp

Cầu máng vỏ trụ mỏng có khả năng chịu lực theo phương dọc lớn hơn nhiều phương ngang Khi trên kênh không có yêu cầu về vận tải thủy, để tăng thêm độ cứng của phương ngang, tăng độ ổn định tổng thể và cục bộ của máng, thường bố trí các thanh giằng ngang và các sườn gia cường dọc (tai máng) Khi có yêu cầu về vận tải thủy không thể bố trí các thanh giằng ngang, thì cần bố trí các sườn gia cường ngang hoặc

tăng thêm chiều dày thành máng (hình 1.3)

Luận văn đi sâu nghiên cứu cho loại mặt cắt ngang thân máng XMLT có dạng chữ U

1 Sườn dọc (tai máng); 2 Giằng ngang; 3 Sườn ngang

Hình 1 3 Cấu tạo thân máng

1.1.2.2 Thân máng có mặt cắt ngang hình chữ U

Hình dạng máng chữ U thường dùng hiện nay có đáy là nửa hình tròn, có thêm hai thành bên thẳng đứng (hình 1.4) Máng chữ U được sử dụng nhiều vì nó có các ưu điểm: trạng thái thủy lực tốt, độ cứng theo phương dọc lớn, dễ thi công Để tăng độ cứng theo phương ngang và phương dọc, thân máng thường được gia cường bằng các sườn dọc (tai máng), bằng các sườn ngang (đai máng) và các thanh giằng ngang Máng chữ U được phân thành hai loại: không có thanh giằng ngang (hình 1.4a) và loại có thanh giằng ngang (hình 1.4b)

5

3 2

4

1

6

1 Mố biên; 2 Cửa vào; 3 Thân máng; 4 Đất đắp; 5 Thiết bị thoát nước 6 Mặt đất

Hình 1 5 Cấu tạo mố biên

Trụ giữa kiểu trọng lực có thể bằng gạch xây, bằng đá xây hoặc bê tông, thường dùng cho những trụ có chiều cao dưới 10 m, trọng lượng bản thân của trụ kiểu trọng lực thường rất lớn, do đó đòi hỏi nền phải có sức chịu tải cao (hình 1.6a) Trụ đỡ kiểu khung có hai loại: khung đơn (hình 1.6b) và khung kép (hình 1.6c) thường dùng cho các trụ cao dưới 20 m Kiểu hỗn hợp có phần dưới kiểu trọng lực, còn phần trên kiểu khung, chiều cao của trụ hỗn hợp có thể đến 25 m (hình 1.6d) Móng của mố trụ có thể đặt trực tiếp trên nền tự nhiên, khi nền yếu có thể đặt trên nền cọc

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

a Trụ kiểu trọng lực; b Trụ kiểu đơn; c Trụ kiểu khung kép; d Trụ kiểu hỗn hợp

Hình 1 6 Các loại mố trụ giữa cầu máng

1.1.2.4 Hình thức kết cấu khe co giãn

Giữa các đoạn trong thân máng cần phải bố trí khe co giãn, khoảng cách giữa các khe

co giãn từ (1220) m Vật liệu làm khe co giãn vừa có tính co giãn, vừa có khả năng chống rò rỉ nước (hình 1.7)

2 15÷20cm

1.1.3 Phương pháp tính toán cầu máng xi măng lưới thép

1.1.3.1 Tải trọng và tổ hợp tải trọng

Tải trọng tác dụng lên cầu máng gồm có:

- Trọng lượng bản thân cầu máng

- Áp lực nước ứng với mực nước thiết kế và mực nước kiểm tra được thể hiện ở hình 1.8

Hình 1 8 Sơ đồ áp lực nước

- Tải trọng người qua lại trên cầu máng thường lấy 2,5 kN/m2

- Áp lực gió ở độ cao z so với mốc chuẩn, xác định theo công thức:

trong đó: Wo – áp lực gió cơ bản lấy theo bản đồ phân vùng lực gió (kN/m2);

k – hệ số xét tới sự thay đổi áp lực gió theo độ cao;

c – hệ số khí động

- Lực ma sát ở gối đỡ: lực ma sát xuất hiện theo phương dọc máng tác dụng lên trụ khi thân máng bị co ngót hay dãn nở do nhiệt độ thay đổi được tính theo công thức:

trong đó: G – áp lực tác dụng lên gối đỡ (kN);

f – hệ số ma sát giữa thân máng và gối đỡ

- Áp lực thủy động: Áp lực thủy động tác dụng lên một đơn vị diện tích trụ được tính theo công thức (1-3) và có điểm đặt của hợp lực ở 2/3 độ sâu mực nước thiết kế:

g 2

v k P

2

1



trong đó: v - vận tốc dòng chảy tính toán (m/s);

 - trọng lượng riêng của nước (kN/m3);

g - gia tốc trọng trường (g=9,81 m/s2);

k1 - hệ số phụ thuộc vào hình dạng của trụ

- Các tải trọng khác: động đất, tải trọng cẩu lắp, lực va chạm của vật nổi, các lực này thì tùy trường hợp cụ thể mà xét

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

1.1.3.2 Phân tích nội lực kết cấu thân máng xi măng lưới thép

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

Đối với các cầu máng lớn và trung bình thì thiết kế đòi hỏi nội lực có độ chính xác cao, cần phân tích nội lực thân máng theo bài toán vỏ mỏng không gian Tốt nhất là dùng phương pháp phần tử hữu hạn và giải theo chuyển vị, hiện nay có nhiều phần mềm mạnh cho phép phân tích các kết cấu vỏ có dạng bất kỳ và chịu tải trọng tuỳ ý như SAP2000 hay ANSYS, song đòi hỏi người sử dụng phải có hiểu biết nhất định về

lý thuyết vỏ mỏng và phương pháp phần tử hữu hạn

Đối với cầu máng nhỏ có thể dùng phương pháp gần đúng để phân tích nội lực thân máng, một trong các phương pháp hiện nay thường dùng là thay bài toán tính vỏ mỏng không gian bằng hai bài toán phẳng riêng biệt theo phương dọc và phương ngang máng, được gọi là phương pháp tính theo “lý thuyết dầm” Theo lý thuyết tính toán này, phương dọc thân máng được tính như bài toán dầm, phương ngang máng được tính như một hệ phẳng (khung phẳng) có bề rộng đơn vị được cắt ra từ thân máng chịu tất cả các tải trọng tác dụng lên đoạn máng đó và được cân bằng nhờ các lực tương hỗ của các phần máng hai bên, được gọi là “phương pháp lực cắt không cân bằng”

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

1.1.3.3 Tính toán bố trí thép trong thân máng

Tính toán và bố trí thép trong thân máng được thạc hành theo phương pháp tính toán cấu kiện BTCT hoặc cấu kiện XMLT về mặt cường độ, biến dạng và nứt

Theo phương dọc CM-XMLT được tính toán về mặt cường độ trên mặt cắt vuông góc

và mặt cắt nghiêng theo cấu kiện chịu uốn có tiết diện tính toán đưa về dạng chữ I, chữ

T hoặc chữ T ngược để xác định lượng cốt thép chịu lực, kiểm tra độ võng và không cho phép xuất hiện vết nứt hoặc kiểm tra bề rộng vết nứt

1.2 Tổng quan về kết cấu ứng suất trước [6][7][8]

1.2.1 Khái quát về cầu máng xi măng lưới thép ứng suất trước

CM-XMLT-ƯST khác CM-XMLT thông thường ở chỗ trước khi chịu tác dụng của ngoại lực, cầu máng đã được nén trước Lực nén trước này làm giảm một phần hay toàn bộ ứng suất kéo do ngoại lực sinh ra (trọng lượng bản thân máng, áp lực nước và tải trọng người đi lại), do đó làm tăng khả năng chống nứt theo phương dọc và tạo nên

độ vồng trước, làm giảm được độ võng tổng cộng của cầu máng khi khai thác Do đó CM-XMLT-ƯST có thể vượt qua được các nhịp lớn hơn CM-XMLT thông thường

Hình 1 9 Tác dụng của lực căng trước Tác dụng của ƯST có thể thấy rõ trong sơ đồ hình 1.9, dưới tác dụng của ngoại lực (áp lực nước, người qua lại, trọng lượng bản thân máng…) thớ dưới cùng của máng sinh ứng suất kéo 3 Nếu trước khi chịu tác dụng của ngoại lực, cho cầu máng chịu một lực nén lệch tâm N, làm cho thớ dưới cùng sinh ra ứng suất nén 1 Vậy sau khi tác dụng của ngoại lực, ứng suất cuối cùng của tiết diện máng bằng tổng ứng suất của hai trường hợp tải trọng trên Ứng suất thớ dưới cùng của máng có thể chịu nén 1 - 3 > 0 hoặc chịu kéo khi 1 - 3 < 0

1.2.2 Phương pháp tạo ứng suất trước

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

1.2.2.1 Phương pháp căng trước

Trong phương pháp căng trước cốt thép được kéo căng trên bệ chuyên dụng và được neo vào giá đỡ của bệ căng Sau khi căng cốt thép xong, đổ vữa xi măng và bảo dưỡng, đợi cho vữa xi măng đạt tới một cường độ chịu lực (thường không dưới 70% cường độ thiết kế) để bảo đảm cho thép ƯST và vữa xi măng có đủ lực dính, tiếp đến cắt rời cốt thép khỏi giá căng Do thép ƯST co lại làm cho cầu máng chịu nén trước, tạo thành CM-XMLT-ƯST (hình 1.10)

1 Cốt thép ứng suất trước; 2 Giá đỡ căng cốt thép; 3 Thiết bị neo; 4 Kéo căng cốt thép bằng thiết bị kéo; 5 Cấu kiện ứng suất trước; 6 Mặt bằng thi công; 7 Cấu kiện xi măng lưới

thép đã chế tạo xong

Hình 1 10 Phương pháp căng trước

1.2.2.2 Phương pháp căng sau

Trong phương pháp căng sau, thân máng XMLT được thi công trước có chừa sẵn các

lỗ tại vị trí bố trí thép ƯST, đợi cho thân máng đạt tới cường độ chịu lực (không nhỏ hơn 70% cường độ thiết kế), luồn thép ƯST qua lỗ, lợi dụng thân máng làm bệ căng cốt thép

Sau khi căng xong cốt thép, dùng các đầu neo neo chặt cốt thép vào hai đầu máng, tiếp đến phụt vữa vào đầy lỗ Ứng suất trước trong thép qua đầu neo truyền vào thân máng

làm cho máng chịu nén trước thể hiện trên hình 1.11

1 Thân máng thi công có chừa lỗ; 2 Luồn dây thép và kéo căng

3 Neo cột thép; 4 Phụt vữa vào lỗ và bịt đầu

Hình 1 11 Phương pháp căng sau

1.2.3 Phương pháp tính toán cầu máng XMLT-ƯST

1.2.3.1 Ứng suất kéo trước giới hạn

Ứng suất kéo trước lớn nhất cho phép trong cốt thép ứng suất trước (thép ƯST) được gọi là ứng suất giới hạn và được ký hiệu là k Ứng suất trước giới hạn phụ thuộc vào loại cốt thép dùng và phương pháp tạo ƯST

Bảng 1.1 Ứng suất kéo trước giới hạn k (daN/cm2)

Phương pháp căng trước Phương pháp căng sau

- Sợi thép, sợi thép bện 0,7Rcat 0,65Rcat

Chú thích: R - cường độ tiêu chuẩn của thép ƯST cat

Ứng suất kéo trước giới hạn k càng lớn thì ứng suất nén trước càng lớn, khả năng chống nứt của thân máng càng cao Nhưng để xét đến ứng suất kéo trước không cho phép vượt quá giới hạn chảy của thép, xét tới lực kéo căng có thể không chính xác, chất lượng mối hàn có thể không tốt, nên lực kéo giới hạn nếu lấy quá cao có thể gây mất an toàn Cho nên khi thiết kế CM-XMLT-ƯST giá trị k không được lấy vượt quá trị số cho ở bảng 1.1 ở trên

1.2.3.2 Tổn hao ứng suất trước

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

L/L của thép ƯST do các nguyên nhân nói trên, nên các tổn hao này tính theo tiêu chuẩn thiết kế của các nước cũng không khác nhau nhiều

- Tổn hao ƯST do biến dạng của thiết bị neo hl - Cốt thép kéo căng sau khi neo, do biến dạng của thiết bị neo làm thép ƯST co ngắn lại một đoạn L(mm) và thép ƯST

sẽ bị tổn hao một lượng ứng suất bằng hl:

ΔL E L

trong đó: L là chiều dài thép ƯST; L là giá trị biến dạng của thép ƯST phụ thuộc vào thiết bị neo (có thể lấy giá trị L bằng 1,5 lần dịch chuyển của neo do các nhà chế tạo cung cấp và không nhỏ hơn 2 mm); Eat là môđun đàn hồi của thép ƯST

- Tổn hao ƯST do ma sát giữa lỗ luồn thép và thép ƯST h2 - Khi kéo căng thép ƯST theo phương pháp căng sau, giữa thép ƯST và lỗ luồn thép sinh lực ma sát, ứng suất thép ƯST tại đầu kéo là k thì ứng suất thực tế tại mặt cắt tính toán là (k - h2) :

1 k.x

h 2 k1 e  

     

trong đó: k - hệ số ma sát giữa thép ƯST và vách lỗ của lỗ luồn thép;

x - chiều dài của dây từ đầu neo đến mặt cắt tính toán (m);

 - hệ số ma sát giữa thép ƯST và đỉnh lỗ luồn thép;

 - thay đổi góc của dây tính từ đầu và mặt cắt tính toán x (radian)

- Tổn hao ƯST do chênh lệch nhiệt độ giữa thép ƯST và giá căng h3 - Trong phương pháp căng trước, thép ƯST khi neo có nhiệt độ o

 = 0,00001/1oC - hệ số dãn dài của thép ƯST;

Eat = 2,0×106 (daN/cm2) - môđun đàn hồi của thép ƯST

- Tổn hao ƯST do co ngót của vữa xi măng h4 -Trong phương pháp căng trước, vữa

xi măng trong quá trình đông cứng sẽ bị co ngót Biến dạng tương đối co ngót c thay

đổi trong khoảng từ 0,0004 ÷ 0,0008, thường lấy c = 0,0006 Tổn hao ƯST do co ngót được tính theo công thức sau:

h 4 c.Eat

- Tổn hao ƯST do từ biến của bê tông h5 - Dưới tác dụng của ƯST bê tông sinh ra từ biến, từ biến làm cho cấu kiện bị co ngắn lại gây nên tổn hao ƯST Tổn hao ƯST do từ biến được xác định theo công thức sau:

b h5



 (1-8a)

b h5



Trong đó: b - ứng suất trong bê tông tại trọng tâm của thép ƯST có xét đến các tổn hao ƯST;

Rb - cường độ của bê tông khi gây ƯST;

 - hệ số được lấy bằng 1 khi bê tông đông cứng tự nhiên và lấy bằng 0,85 khi bê tông bảo dưỡng nhiệt trong áp suất khí quyển

- Tổn hao ƯST do sự nới ứng suất thép ƯST h6 - Hiện tượng nới của thép ƯST tương

tự như hiện tượng từ biến, khi thép ƯST được kéo căng xong, cố định chiều dài, sau một thời gian ứng suất bị giảm, hiện tượng này gọi là sự nới (chùng) thép ƯST Tổn hao do chùng ứng suất có thể lấy như sau:

b h7 Eat n b

E



Trong đó: b là ứng suất thân máng tại vị trí trọng tâm thép ƯST

Từ các công thức tính ổn hao ƯST ở trên ta thấy chúng phụ thuộc lẫn nhau, sự xuất hiện của tổn hao này có ảnh hưởng qua lại đối với tổn hao kia, do đó để có giá trị chính xác của các tổn hao ta cần phải tính lặp Trong các cấu kiện ƯST thông thường chỉ cần lời giải gần đúng có thể lấy kết quả của bước lặp đầu tiên Ở đây ta có thể sử dụng bảng tính Excel thực hiện giải lặp để tính các tổn hao

Tổn hao được phân thành 2 nhóm, nhóm thứ nhất và nhóm thứ hai như trong bảng 1.2 Tổng các tổn hao h theo các công thức trên không nhỏ hơn giá trị sau:

- Phương pháp căng trước: 1000 daN/cm2

- Phương pháp căng sau: 800 daN/cm2

Bảng 1.2 Tổ hợp tổn hao ƯST của các giai đoạn

Tổ hợp các tổn hao ƯST Phương pháp căng trước Phương pháp căng sau

- Tổn hao trước khi thân máng

chịu nén trước hI (nhóm I)

h1 + h3 + h4 + h5 +

h6

h1 + h2

- Tổn hao sau khi thân máng

chịu nén trước hII (nhóm II) h7 h5 + h6 + h7

Đối với CM-XMLT-ƯST căng sau đã được nghiên cứu và thử nghiệm bởi TS Phạm Cao Tuyến Tác giả đã xây dựng được một Chương trình tính toán mô phỏng CM-XMLT-ƯST với mô hình cáp ƯST đặt thẳng và sử dụng phương pháp căng sau Do cáp ƯST được neo tại hai đầu máng, khi căng cáp ƯST trong thép qua đầu neo truyền vào thân máng, cáp và thành lỗ không tiếp xúc, dây cáp vẫn thẳng trong khi thân máng

bị vồng lên hoặc lõm xuống so với trạng thái ban đầu vì vậy thường phát sinh ứng suất cục bộ lớn khi tăng chiều dài nhịp máng dẫn đến phá hoại cục bộ tại đầu neo

Dựa trên Chương trình CM-XMLT-ƯST đã có, luận văn đã tiến hành chỉnh sửa cho thép ứng suất trước căng trước để khắc phục những nhược điểm nêu trên và đưa thêm yếu tố phi tuyến của vật liệu XMLT vào trong mô hình tính toán

CHƯƠNG 2 TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT BIẾN DẠNG CỦA CẦU MÁNG XMLT-ƯST CĂNG TRƯỚC

Xác định trạng thái ứng suất và chuyển vị của CM-XMLT theo bài toán vỏ mỏng không gian bằng phương pháp phần tử hữu hạn là hợp lý nhất do phản ánh được tương đối chính xác sự làm việc thực tế của cầu máng là một kết cấu không gian làm việc theo hai phương, phương dọc và phương ngang máng Nếu tính toán theo lý thuyết dầm đơn giản hơn về mặt lý thuyết, đưa bài toán làm việc hai chiều về bài toán làm việc một chiều Nên chỉ cho trạng thái ứng suất và biến dạng theo một phương, đó là ứng suất pháp theo phương dọc trục máng và chuyển vị theo phương đứng thẳng góc với trục máng

ANSYS là một phần mềm phân tích phần tử hữu hạn thông dụng, có khả năng thiết kế theo tham số dựa trên ngôn ngữ lập trình FORTRAN để xây dựng bài toán tổng quát

mô phỏng kết cấu cần thay đổi nhiều lần các giá trị như kích thước hình học, tải trọng (áp lực nước, lực căng cáp, tải trọng người đi), vật liệu 0 Dựa trên phần mềm này, tác giả đã thực hành thiết kế mô phỏng kết cấu CM-XMLT-ƯST theo các tham số định trước, từ đó làm cơ sở cho việc nghiên cứu sự biến đổi trạng thái ứng suất – biến dạng kết cấu cầu máng khi cho các tham số thiết kế thay đổi

2.2 Mô hình CM-XMLT-UST

2.2.1 Mô tả kết cấu cầu máng chữ U [6]

Cầu máng nhịp đơn dài L (m) là một kết cấu vỏ mỏng không gian được thể hiện ở hình 2.1a Mặt cắt ngang thân máng có dạng chữ U như ở hình 2.1b, đáy máng dạng nửa trụ tròn có đường kính trong Do (m), vách đứng có chiều cao f (m), chiều dày thân máng t (m), tai máng tiết diện hình thang có kích thước a×b×c (m), thanh giằng tiết diện chữ nhật hg×bg (m), sườn ngang tiết diện chữ nhật có kích thước bs×hs (m), đáy máng có chiều dày to (m), bề rộng tựa do (m), bề rộng góc vát so (m)

2.2.2 Mô hình hóa kết cấu cầu máng xi măng lưới thép ứng suất trước

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

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

Phần tử cáp 2 điểm nút LINK8 mô phỏng cáp ƯST

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

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

Kết cấu thân máng XMLT-ƯST được mô hình hóa theo các tham số chính:

- Chiều dài nhịp thân máng L (m);

- Mặt cắt ngang thân máng gồm có bán kính bên trong lòng máng Ro=Do/2(m); chiều cao vách thẳng đứng f (m);

- Chiều dày thân máng t (m);

- Tai máng tiết diện hình thang có kích thước a×b×c (m);

- Thanh giằng có tiết diện chữ nhật bg×hg (m), khoảng cách giữa các thanh giằng Lg

(m),thường lấy bằng 2m;

- Sườn ngang tiết diện chữ nhật có kích thước bs×hs (m);

- Chiều dày đáy máng to (m), bề rộng đáy máng do (m), bề rộng góc vát so (m);

- Tham số vật liệu XMLT có môđun đàn hồi E (kN/m2), hệ số Poisson , khối lượng riêng bt(T/m3);

- Tham số cáp ƯST gồm có số lượng sợi cáp, đường kính sợi cáp (m);

- Tham số vật liệu cáp ƯST gồm có môdun đàn hồi Ec (kN/m2), hệ số Poisson , khối lượng riêng c(T/m3) và lực kéo cáp LKC (kN);

- Chiều cao nước chứa trong máng Hn (m), khối lượng riêng của nước n (T/m3);

Thân máng chủ yếu chịu các tải trọng sau:

- Trọng lượng bản thân máng (TLBT);

- Áp lực nước trong máng (ALN);

- Lực kéo cáp hay còn gọi là lực nén tạo ƯST trong máng (LKC*)

Cầu máng vỏ mỏng XMLT-ƯST mặt cắt chữ U thép ƯST chỉ có thể bố trí thẳng ở đáy máng, nên đáy máng cần có chiều dày lớn hơn thành máng, Còn máng có nhịp ngắn và trung bình không dùng ƯST, nên đáy máng chỉ cần dày hơn thành máng chút ít hoặc

có chiều dày bằng chiều dày thành máng, trong trường hợp này đáy máng có dạng nửa trụ tròn để dàng cho việc tạo vvăn khuôn Trong lập trình cũng đã quan tâm đến yếu

tố này

2.2.3 Chỉnh sửa mô hình CM-XMLT-UST

Cách thức phân tích bê tông cốt thép nói chung và xi măng lưới thép ứng suất trước nói riêng trong ANSYS có hai loại: rời rạc (discrete) và chỉnh thể (smeared) Phương thức rời rạc chính là xem xét lần lượt tác dụng của bê tông và cốt thép (ảnh hưởng đối với tổng thể), lấy tải trọng để thay thế tác dụng của cốt thép ứng suất trước như phương pháp tải trọng tương đương Phương thức chỉnh thể là xem xét đồng thời tác dụng của XMLT và thép ứng suất trước, dùng phần tử LINK (phần tử kéo nén dọc trục) để mô phỏng thép ứng suất trước, ví dụ như phương pháp giảm nhiệt, phương pháp biến dạng ban đầu Hai phương thức này đều có những ưu và nhược điểm riêng (1) Phương pháp rời rạc:

Ưu điểm: không cần xem xét vị trí của cốt thép ứng suất trước mà có thể trực tiếp xây dựng mô hình, chia lưới phần tử đơn giản, hiệu ứng ứng suất trước đối với tổng thể của kết cấu có thể hiển thị khá rõ ràng

Nhược điểm: không thuận lợi để mô phỏng ảnh hưởng của vị trí cáp đến kết cấu tổng thể, không xem xét phân bố và phương tác dụng của cáp đối với bê tông, không thể mô phỏng quá trình kéo cáp, không dễ xem xét tác dụng đồng thời của các tải trọng ngoài, không thể mô phỏng tổn hao ứng suất do ứng lực cáp khác nhau

Ưu điểm: vị trí cụ thể của cáp nhất định, ảnh hưởng đối với kết cấu có thể được xem xét; có thể mô phỏng căng cáp khác nhau để tối ưu trình tự căng cáp; có thể thu được hưởng ứng ứng suất của cáp dưới tải trọng tùy ý; có thể mô phỏng tổn hao ứng suất trước

Nhược điểm: xây dựng mô hình khá phức tạp đặc biệt khi cáp nhiều và bố trí tuyến

Có thể nói sử dụng phương pháp giảm nhiệt trong mô hình tổng thể thực hiện khá đơn giản nhưng vẫn có thể xem xét hưởng ứng ứng suất biến dạng cục bộ kết cấu XMLT-ƯST Với lực kéo cáp bất kỳ N có thể xác định được nhiệt độ giảm cần thiết của cáp ứng suất trước:

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

Chương trình tính kết cấu CM-XMLT-UST có chỉnh sửa cáp ứng suất trước căng sau được xây dựng trên cơ sở phương pháp phần tử hữu hạn, dùng ngôn ngữ lập trình tham

số APDL (ANSYS Parametric Design Language) trong ANSYS là một chương trình chuyên dụng phân tích kết cấu cầu máng tiết diện chữ U dưới dạng file macro, để giải bài toán kết cấu CM-XMLT-ƯST có kích thước tùy ý và trường hợp đặc biệt của nó là CM-XMLT thường (không ƯST)

Với phương thức này sẽ đáp ứng được yêu cầu tính toán hàng loạt bài toán kết cấu cầu máng chữ U với các kích thước thân máng thay đổi như chiều dài nhịp L, đường kính trong thân máng Do, chiều cao thành máng H, có mặt cắt ngang của máng ƯST và máng không dùng ƯST với các tải trọng chủ yếu tác dụng lên cầu máng (trọng lượng bản thân, áp lực nước, tải trọng người đi lại) và các cấp lực nén trước, rất dễ dàng không gặp khó khăn nào

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

Toàn bộ chương trình chuyên dụng CM-XMLT-UST tính chuyển vị và ứng suất cầu

máng nhịp đơn mặt cắt chữ U có thể xem trong Phụ lục

Dưới đây trình bày hai ví dụ bằng số minh họa cách sử dụng “Chương trình tính XMLT-UST” để xác định chuyển vị và ứng suất CM-XMLT-ƯST và CM-XMLT thường (không ƯST)

CM-2.2.5 Tính toán chuyển vị, ứng suất của cầu máng xi măng lưới thép ứng suất trước

2.2.5.1 Số liệu tính toán CM-XMLT-ƯST

Các số liệu tính toán chuyển vị và ứng suất của CM-XMLT-ƯST được đưa vào chương trình qua cửa sổ giao diện với người sử dụng gồm các số liệu sau:

- Kích thước chính của cầu máng: Chiều dài nhịp máng L =10 m, bán kính trong thân máng Ro = Do/2 = 0,6 m, chiều cao vách đứng f = 0,8 m, chiều dày thành máng t = 0,04m;

- Kích thước tai máng: Tai máng tiết diện hình thang có kích thước a = 0,2 m, b = 0,125 m, c = 0,075 m;

- Kích thước thanh giằng: Thanh giằng tiết diện chữ nhật có kích thước hg = 0,15 m, hg

= 0,10 m và số khoảng thanh giằng ng = 6;

- Kích thước sườn ngang: Sườn ngang tiết diện chữ nhật, sườn hai đầu có bề rộng hs = 0,15 m, chiều cao hs = 0,20 m, sườn giữa có bề rộng bsg = 0,15 m, chiều cao hsg = 0,15m;

- Kích thước đáy máng: Chiều dày đáy máng lớn hơn thành máng có kích thước to = 0,20m, do = 0,50m và So = 0,28m;

- Tham số cáp ƯST: Số lượng dây cáp n = 5, đường kính ống cáp Dd = 0,025 m, đường kính cáp Dc = 0,02 m;

- Đặc trưng cơ học của vật liệu XMLT M300: Môđun đàn hồi = 2,78×107 kN/m2, hệ số Poisson = 0,167, khối lượng riêng =2,1582 T/m3;

- Tham số của vật liệu làm cáp và lực căng cáp: Môđun đàn hồi = 1,97×108 kN/m2, hệ

số Poisson = 0,3, khối lượng riêng = 0, lực căng cáp LKC* = 600 kN;

- Áp lực nước tác dụng vào trong lòng máng với giả thiết bất lợi nhất là máng đầy nước Hgt = 1,2 m, khối lượng riêng = 1 T/m3

Cho chạy chương trình và hiển thị kết quả tính toán cầu máng này từ hình 2.2 đến hình 2.6 Giá trị chuyển vị và ứng suất pháp SZ dọc thân máng tại mặt cắt giữa nhịp do tổ hợp tải trọng TH=TLBT+ALN+LKC* và do các thành phần tải trọng của tổ hợp tải

2.2.5.2 Kết quả tính toán chuyển vị và ứng suất của CM-XMLT-ƯST

Mô hình tính toán cầu máng chữ U nhịp đơn được thể hiện ở hình 2.2, mặt cắt ngang thân máng ứng với các số liệu đầu vào đã cho gồm có thành máng, đáy máng, tai máng, thanh giằng, sườn đứng giữa và sườn đứng biên được thể hiện ở hình 2.3

Hình 2 2 Mô hình cầu máng chữ U nhịp đơn L =10 m

Hình 2 3 Mặt cắt ngang CM-XMLT-ƯST