Tính cấp thiết của đề tài Với chiều cao lớn của mình, ống khói bê tông cốt thép BTCT vẫn luôn được xem là kết cấu phức tạp và đặc biệt nhạy cảm với tải trọng gió và tải trọng động đất..
Trang 1ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
Trang 2Công trình được hoàn thành tại TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
-
Người hướng dẫn khoa học: TS Phạm Mỹ
Phản biện 1: TS Lê Khánh Toàn
Phản biện 2: TS Đặng Khánh An
Luận văn đã được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp họp tại Trường Đại học Bách khoa vào ngày 24 tháng 1 năm 2021
Có thể tìm hiểu luận văn tại:
Trung tâm Học liệu và Truyền thông - Trường Đại học Bách Khoa - ĐHĐN
Thư viện Khoa Xây dựng dân dụng và công nghiệp, Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN
Trang 3MỞ ĐẦU
1 Tên đề tài
“GIẢI PHÁP THIẾT KẾ VÀ BIỆN PHÁP THI CÔNG ỐNG KHÓI
BÊ TÔNG CỐT THÉP NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN”
2 Tính cấp thiết của đề tài
Với chiều cao lớn của mình, ống khói bê tông cốt thép (BTCT) vẫn luôn được xem là kết cấu phức tạp và đặc biệt nhạy cảm với tải trọng gió và tải trọng động đất Do vậy, ở một số nước như Mỹ, Trung Quốc có tiêu chuẩn riêng về thiết kế ống khói BTCT, đặc biệt là ống khói cao
Tuy nhiên, hiện nay ở Việt Nam vẫn chưa có tiêu chuẩn chuyên dùng cho việc thiết kế ống khói BTCT Việc tính toán thiết kế chỉ theo Tiêu chuẩn TCVN 2737:1995 và TCVN 5574:2018 và các tiêu chuẩn liên quan khác
Vì vậy, trong các dự án nhà máy nhiệt điện (NMNĐ) trong nước,
để có thể thiết kế và thi công các kết cấu ống khói BTCT đều phải sử dụng tiêu chuẩn nước ngoài và cũng do các nhà thầu nước ngoài thực hiện
Việc nghiên cứu, nhận xét, đánh giá phương án thiết kế và biện pháp thi công cho kết cấu ống khói BTCT từ cơ sở dữ liệu là các dự án
đã và đang thi công là một vấn đề đáng được quan tâm và tìm hiểu Từ thực tế đó, trong khuôn khổ Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật, học viên lựa chọn đề tài “Giải pháp thiết kế và biện pháp thi công ống khói bê tông cốt thép nhà máy nhiệt điện” với mong muốn có được những kiến thức sát thực hơn về giải pháp kỹ thuật cho công tác thiết kế và thi công cho loại kết cấu này
3 Mục tiêu nghiên cứu
Trên cơ sở dữ liệu là tài liệu thiết kế, các tài liệu hướng dẫn và các tiêu chuẩn quốc tế (ACI 307-08, ACI 318-14, ASCE 7-05…) đề tài tập trung nghiên cứu và trình bày giải pháp tính toán thiết kế và biện pháp thi công của kết cấu ống khói BTCT NMNĐ
Trang 44 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng: Hạng mục ống khói BTCT của NMNĐ Vĩnh Tân
4 mở rộng
- Phạm vi nghiên cứu: Giải pháp thiết kế và biện pháp thi công kết cấu vỏ ống khói BTCT theo Tiêu chuẩn Mỹ ACI 307-08 và các tiêu chuẩn liên quan
5 Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu như sau:
- Thu thập, tổng hợp các số liệu về các yêu cầu kỹ thuật, các thống số công nghệ của kết cấu ống khói
- Xác định tải trọng tác động lên ống khói Tính toán kết cấu và kiểm tra các điều kiện ổn định
- Tính toán, lập biện pháp thi công ống khói BTCT
- Dựa vào kết quả nghiên cứu thực tiễn và lý thuyết, tổng hợp lại các kết quả và đưa ra các đánh giá phương thiết kế và thi công ống khói BTCT
- Từ các đánh giá đó, đề xuất giải pháp nâng cao hiệu quả thực hiện
Dựa vào kết quả nghiên cứu, phân tích, so sánh các vấn đề tồn tại trong tính toán để có đề xuất hợp lý
6 Kết cấu của luận văn
Chương 1 Tổng quan về công trình nhà máy nhiệt điện và kết cấu ống khói
Chương 2 Trình bày giải pháp thiết kế kết cấu ống khói bê tông cốt thép nhà máy nhiệt điện
Chương 3 Trình bày biện pháp thi công ống khói bê tông cốt thép nhà máy nhiệt điện
Chương 4 Đánh giá giải pháp thiết kế và biện pháp thi công Kết luận và kiến nghị
Tài liệu tham khảo
Trang 5CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG TRÌNH NHÀ MÁY
NHIỆT ĐIỆN VÀ KẾT CẤU ỐNG KHÓI
Tổng quan về công trình nhà máy nhiệt điện
Công trình nhà máy nhiệt điện là công trình năng lượng, có quy mô xây dựng lớn, sử dụng nguyên lý đốt nhiên liệu tạo ra nhiệt lượng làm quay tua-bin máy phát điện, sản sinh ra điện năng
Giới thiệu về kết cấu ống khói bê tông cốt thép nhà máy nhiệt điện
Ống khói NMNĐ có chức năng dẫn khói, khí nóng từ nhà máy
ra bầu không khí bên ngoài Để đảm bảo các yêu cầu về môi trường, ống khói của các NMNĐ có công suất lớn thường có chiều cao từ 200
Trong số đó, công nghệ ván khuôn trượt có nhiều ưu điểm về thời gian thi công và tính liền khối của của kết cấu
1.4 Kết luận Chương 1
Thông qua các nội dung nghiên cứu trên, trong Chương 1, tác giả đã khái quát về công trình nhà máy nhiệt điện, đặc điểm của kết cấu ống khói và phân loại các loại kết cấu ống khói Ngoài ra, tác giả cũng đã nêu tổng quan về các công nghệ thi công ống khói bê tông cốt thép
Trang 62.1.1 Tổng quan về giải pháp thiết kế
Hệ kết cấu ống khói BTCT hoàn chỉnh bao gồm các kết cấu chính sau:
- Hệ kết cấu cấu đài móng BTCT và cọc;
- Hệ kết cấu vỏ ống khói bê tông cốt thép;
- Hệ kết cấu ống dẫn khói kết cấu thép;
- Các sàn thao tác, lối đi, cầu thang kết cấu thép;
Cường độ và sự ổn định của hệ kết cấu ống khói BTCT được tính toàn và kiểm tra cho cả hai giai đoạn sau:
- Giai đoạn thi công: Hệ kết cấu được thể hiện trong giai đoạn
thi công kết cấu ống khói, bao gồm kết cấu ống khói, các kết cấu tạm (như hệ ván khuôn ) và hệ kết cấu đài móng và cọc; các tải trọng tạm thời như (tải trọng thi công) cũng được áp dụng
- Giai đoạn vận hành: Hệ kết cấu hoàn chỉnh được thể hiện
trong giai đoạn vận hành nhà máy, bao gồm toàn bộ các hệ kết cấu đài móng và cọc, hệ kết cấu vỏ ống khói, hệ kết cấu ống dẫn khói, các sàn thảo tác, lối đi, cầu thang phục vụ vận hành; các tải trọng vận hành dự kiến sẽ được áp dụng
Các bước thiết kế kêt cấu ống khói bê tông cốt thép bao gồm:
- Khảo sát các số liệu đầu vào như: số liệu địa hình, địa chất, thủy văn; các yêu cầu về kỹ thuật, công nghệ; thông số của vật liệu xây dựng;
Trang 7- Tính toán các loại tải trọng tác dụng lên công trình bao gồm: tĩnh tải (D), hoạt tải (L), tải trọng động đất (E), tải trọng gió (W) và ứng suất do nhiệt độ (T);
- Mô phỏng kết cấu bằng phần mềm; gán các loại tải trọng lên
mô hình; xác định các tần số dao động riêng và kiểm tra chuyển vị công trình;
- Tính toàn kiểm tra cường độ của kết cấu vỏ ống khói BTCT;
2.1.2 Mô tả về ống khói
Ống khói Nhà máy nhiệt điện Vĩnh Tân 4 mở rộng nằm ở xã Vĩnh Tân, huyện Tuy Phong, tỉnh Bình Thuận Đây là loại ống khói có kết cấu chính làm bằng bê tông cốt thép và có 1 ống dẫn khói ở bên trong Chiều cao ống khói là 213,50 m Kết cấu ống khói bao gồm vỏ bằng bê tông cốt thép có bề dày và đường kính thay đổi theo bảng sau:
2.1.4 Điều kiện tự nhiên
Các số liệu điều kiện khí tượng như nhiệt độ, gió sử dụng thiết
kế tuân theo QCVN 02:2009/BXD Quy chuẩn kỹ thuật Quốc gia – Số
Trang 8Tĩnh tải tác dụng lên công trình bao gồm:
- Tải trọng bản thân của vỏ ống khói BTCT và ống dẫn khói;
2.2.3 Tải trọng động đất (E)
Vỏ ống khói BTCT sẽ được thiết kế chịu tải trọng động đất bằng phương pháp phổ phản ứng theo Tiêu chuẩn UBC-97
Trang 9DUT.LRCCHình 2.1 Phổ gia tốc nền đàn hồi và phổ gia tốc nền thiết kế
Lực cắt thiết kế tại chân công trình được xác định theo công thức:
Tải trọng gió tác dụng lên kết cấu ống khói được tính toán và kiểm tra theo Tiêu chuẩn ACI 307-08 và ASCE 7-05
Trang 10Gió dọc w(z) trên mỗi đơn vị dài tại độ cao z bất kỳ là tổng của
tải gió trung bình 𝑤̅(z) và tải gió biến động w'(z):
𝑤(𝑧) = w̅(z) + 𝑤′(𝑧) Tải gió trung bình 𝑤̅(z) sẽ được tính theo công thức sau:
tính toán cho ống khói nếu tốc độ gió giới hạn Vcr nằm trong khoảng
từ 0,50 · 𝑉(𝑧𝑐𝑟) đến 1,30 · 𝑉(𝑧𝑐𝑟)
Đối với đối tượng là ống khói NMNĐ Vĩnh Tân 4 mở rộng, kết
quả kiểm tra vận tốc gió giới hạn Vcr đều nằm ngoài khoảng giá trị cần xét tới, do đó tải trọng gió ngang cho cả hai giai đoạn đều không cần xét tới
2.2.5 Ứng suất nhiệt (T)
Ứng suất nhiệt gây ra “T”, được tạo ra từ sự chênh lệch giữa nhiệt độ không khí bên trong và bên ngoài vỏ ống khói bê tông cốt thép, làm giảm cường độ tính toán của bê tông và cốt thép, được xác định theo Chương 6 của Tiêu chuẩn ACI 307-08
Trang 11Mô hình được thực hiện bằng phương pháp phần tử hữu hạn, sử dụng các yếu tố cụ thể để thể hiện ứng xử của hệ cọc, đài móng, vỏ ống khói, ống dẫn khói và các phản lực liên kết giữa mỗi thành phần
Tải trọng tĩnh và các tải trọng động được quy về tải trọng tĩnh (tải trọng gió) sẽ được phân bố cụ thể tại vị trí mà các tải trọng này tác dụng
Tải trọng động đất sẽ được phân tích bằng phương pháp phổ phản ứng
Sử dụng phần mềm Sap2000 để mô hình kết cấu tổng thể ống khói, bao gồm các bước thực hiện sau:
2.4.1 Thuộc tính chung
2.4.2 Khai báo tải trọng
2.4.3 Phân tích mô hình
2.5 Kiểm tra chuyển vị ngang của đỉnh ống khói
Chuyển vị ngang lớn nhất của đỉnh ống khói được tính toán và kiểm tra theo mục 4.5 của Tiêu chuẩn ACI 307-08 Chuyển vị ngang
Trang 12𝑑𝑚𝑎𝑥= 𝑚𝑎𝑥{𝑑𝑚𝑎𝑥,𝑜,𝑥; 𝑑𝑚𝑎𝑥,𝑜,𝑦; 𝑑𝑚𝑎𝑥,𝑐,𝑥; 𝑑𝑚𝑎𝑥,𝑐,𝑦} =
= 𝑚𝑎𝑥{68,8 𝑐𝑚; 67,8 𝑐𝑚; 66,0 𝑐𝑚; 65,0 𝑐𝑚} = 68,8 𝑐𝑚
≤ 69,6 𝑐𝑚 = 𝑑𝑎𝑙𝑙
2.6 Kiểm tra cường độ của ống khói
2.6.1 Cường độ theo phương đứng
Tính toán chi tiết cường độ thiết kế và hàm lượng cốt thép tối thiểu theo Tiêu chuẩn ACI 307-08 dựa trên phương pháp thử và kiểm tra Phương pháp này dựa trên các bước sau:
- Xác định và lựa chọn các thông số đầu vào như kích thước tiết diện, tải trọng yêu cầu,
- Giả sử giá trị tổng hàm lượng cốt thép dọc “t ”
- Bằng phương pháp thử và kiểm tra, tìm giá trị của góc trục trung hòa so với trục ngang “”
- Dùng giá trị góc ở trên để tính toán khả năng chịu
moment “Mn ”
- Nếu M n <M u thì tăng t, ngược lại giảmt
- Lặp lại các bước trên cho đến khi M n =M u hoặc M n >M u tối
ưu nhất (với hàm lượng thép tối thiểu t(min) =0,0025)
2.6.2 Cường độ tính toán theo phương ngang
Cốt thép theo phương ngang của ống khói được tính toán và kiểm dưới tác dụng của tải trọng gió phân bố theo chu vi ống khói
Trang 13để đưa ta được giải pháp tối ưu nhất về kỹ thuật và kinh tế
Chương 3 sẽ tiếp tục trình bày về biện pháp thi công ống khói
bê tông cốt thép nhà máy nhiệt điện
CHƯƠNG 3 TRÌNH BÀY BIỆN PHÁP THI CÔNG ỐNG KHÓI BÊ TÔNG CỐT THÉP NHÀ MÁY NHIỆT ĐIỆN 3.1 Tổng quan về các biện pháp thi công ống khói bê tông cốt thép
Đối với kết cấu ống khói bê tông cốt thép, hiện nay phổ biến hai công nghệ thi công đó là công nghệ ván khuôn leo và công nghệ ván khuôn trượt
3.1.1 Giới thiệu công nghệ ván khuôn leo
Ván khuôn leo là hệ ván khuôn bám vào công trình để di chuyển lên cao theo chu kỳ Khi đạt cường độ cho phép, ván khuôn sẽ được tháo và di chuyển mảng ván khuôn lên một đoạn khác
3.1.2 Giới thiệu về công nghệ ván khuôn trượt
Ván khuôn trượt cũng loại công nghệ ván khuôn di động tương
tự như ván khuôn leo, nhưng có một số điểm khác biệt sau:
Trang 14- Từ vị trí đáy ống khói lên đỉnh ống khói chỉ cần 1 lần lắp dựng ván khuôn, một lần tháo dỡ, do đó tiết kiệm rất nhiều ván khuôn, giảm chi phí nhân công cho lắp đặt, tháo dỡ…
- Tốc độ thi công nhanh;
3.2 Mô tả hệ thống ván khuôn trượt
Giá nâng là kết cấu chịu lực chính của hệ thống ván khuôn trượt bao gồm 24 dầm thép hướng tâm (cấu kiện số 2, ở Hình 3.3), một đầu được kết nối với dầm tròn trung tâm (cấu kiện số 1) và đầu còn lại được đỡ bởi vành gông (cấu kiện số 3)
Hình 3.3 Hình vẽ mô phỏng cấu tạo hệ thống ván khuôn trượt
Trang 153.3.3 Phân tích tải trọng
a Trọng lượng bản thân “D 1 ”
b Các tĩnh tải do các bộ phận khác gắn trên vành gông “D 2 ”
c Tải trọng từ sàn thi công chính “D 3 ”
d Tải trọng do khung treo ống dẫn khói “D 4,i ”
e Hoạt tải thi công trên sàn thi công chính “L 1 ”
f Hoạt tải vật liệu trên sàn thi công chính “L 2 ”
g Tải trọng do lực ma sát của tấm ván khuôn trượt “L 3 ”
h Tải trọng do giá treo ròng rọc của tời 30kN “F 1,i ”
i Tải trọng do tời phụ 5kN “F 2 ”
3.3.4 Kết quả tính toán
Mô hình kết cấu giá nâng sẽ được tính toán và kiểm tra theo các tiêu chuẩn ASCE 7-10 và AISC 360-10 tự động bằng phần mềm Sap2000 Kết quả tính toán như sau:
a Kiểm tra cường độ của các thanh trong giá nâng
Trang 16b Kiểm tra chuyển vị của các thanh trong giá nâng
c Kiểm tra hệ thống kích thủy lực
3.4 Quy trình thi công hệ thống ván khuôn trượt
Quy trình thi công hệ thống ván khuôn trượt bao gồm các công tác chính sau:
3.4.1 Lắp dựng hệ thống ván khuôn trượt
Công tác lắp dựng hệ thống ván khuôn trượt được chia thành các công việc sau:
- Đánh dấu trên đài móng các được tâm, các đường chu vi trong
và chu vi ngoài, các vị trí mở cửa;
- Lắp ráp các bộ phận của hệ thống ván khuôn trượt bằng cần trục tự hành
- Lắp đặt cốt thép dọc của vỏ ống khói, nối với cốt thép chờ đã được đặt sẵn lúc thi công đài móng và cốt thép ngang cho khoảng 1m đầu tiên;
- Lắp đặt các thành phần nhúng và các ống bọc dây dẫn điện, tín hiệu ở mặt đất;
- Lắp đặt hệ thống điện và chiếu sáng phục vụ thi công, bố trí
số lượng 1 máy phát điện dự phòng công suất 300kVA;
- Lắp đặt hệ thống điều khiển công tác trượt (thiết bị laser) để phục vụ công tác kiểm tra độ thẳng đứng và độ vặn xoắn của hệ thống ván khuôn trượt;
- Sử dụng hóa chất tháo ván khuôn cho ván khuôn thép trước khi bắt đầu đổ bê tông Bề mặt bên trong ván khuôn phải được làm sạch kỹ lưỡng để loại bỏ bất kỳ mảnh vụn hoặc vật liệu rời khác
3.4.2 Công tác trượt hệ thống ván khuôn
Trang 17Công tác trượt hệ thống ván khuôn chủ yếu được thực hiện trên
3 khu vực sàn thao tác đã được liệt kê ở trên
Độ thang bằng của hệ thống ván khuôn trượt và độ thẳng đứng của bê tông vỏ ống khói được kiểm soát bằng 3 thiết bị laser đặt tại mặt đất và 3 bảng mục tiêu gắn cố định trên hệ thống ván khuôn
Độ dày vỏ ống khói, độ côn của ống khói (sự thay đổi đường kính ống khói) được kiểm soát và điều chỉnh bằng hệ thống bu-lông
cơ khí nằm ở các tấm ván khuôn
3.4.3 Công tác bê tông cốt thép
Quá trình đổ bê tông phải đảm bảo lớp bê tông trước đó mới chỉ đạt được thời gian đông kết ban đầu, để đảm bảo lớp bê tông này không dính vào ván khuôn Hóa chất tháo ván khuôn phải được bôi thường xuyên lên bề mặt ván khuôn trước khi đông bê tông vào ván khuôn
Bê tông sẽ được vận chuyển và đổ như sau:
- Từ mặt đất lên đến cao trình EL +20,00 m, bê tông sẽ được vận chuyển trong các gầu được nâng lên bằng cần cẩu
- Sau đó, cho tới khi lên tới cao trình đỉnh ống khói, bê tông sẽ được chuyển từ xe bồn bê tông và một thùng có thể tích khoảng 0,8m3 được nâng lên bằng tời đến sàn thao tác chính
- Bê tông được đổ thành từng lớp dày khoảng 25cm;
- Thời gian ninh kết của bê tông phải được xác định sao cho lớp
đổ đầu tiên phải đạt đổ cứng yêu cầu
- Đối với các đợt trượt đầu tiên thì phải được thực hiện sau khi lớp bê tông đầu tiên đông kết hoàn toàn
- Sau mỗi 2 lượt trượt, tất cả các kích thủy lực phải được căn chỉnh cho đúng thông số làm việc
Trang 18- Cốt thép ở mặt đất được bảo quản trên các giá hoặc gối kê và được phần loại theo đường kính Cốt thép sau đó được cắt và gia công
ở mặt đất và được vận chuyển lên bằng tời 5kN
- Cốt thép dọc và cốt thép vòng được cắt và uốn theo thiết kế, quá trình cắt và uốn phải được tiến hành nguội, không sử dụng nhiệt
- Tất cả các tấm nhúng, ống chờ hoặc các bộ phần chờ khác nằm trong bê tông vỏ ống khói phải được lắp đặt tại vị trí thiết kế trước khi
3.4.4 Tháo dỡ hệ thống ván khuôn trượt
Khi kết cấu thép sàn thào tác mái được lắp đặt, toàn bộ hệ thống ván khuôn trượt sẽ được tháo dỡ
a Công tác chuẩn bị
- Chuẩn bị mặt bằng đủ rộng để đảm bảo thi công thuận lợi và
an toàn;