Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu khả năng chịu cắt và xoắn tại vị trí mối nối trong cầu dầm hộp lắp ghép phân đoạn

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:207

Thêm vào BST

Báo xấu

20
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Nội dung của đề tài tập trung nghiên cứu khả năng chịu cắt và xoắn tại vị trí mối nối nhằm đề ra giải pháp góp phần kiểm soát và hoàn thiện hơn về thiết kế, thi công và dự báo khả năng phá hoại tại vị trí mối nối khi chịu tác động của các tải trọng khai thác.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu khả năng chịu cắt và xoắn tại vị trí mối nối trong cầu dầm hộp lắp ghép phân đoạn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI -------o0o------- NGUYỄN ĐẮC ĐỨC NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG CHỊU CẮT VÀ XOẮN TẠI VỊ TRÍ MỐI NỐI TRONG CẦU DẦM HỘP LẮP GHÉP PHÂN ĐOẠN LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội - 2020
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI -------o0o------- NGUYỄN ĐẮC ĐỨC NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG CHỊU CẮT VÀ XOẮN TẠI VỊ TRÍ MỐI NỐI TRONG CẦU DẦM HỘP LẮP GHÉP PHÂN ĐOẠN Ngành: KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG Chuyên ngành: XÂY DỰNG CẦU HẦM Mã số: 9580205 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1- PGS.TS. NGUYỄN NGỌC LONG 2- GS.TS. TRẦN ĐỨC NHIỆM Hà Nội - 2020
i MỤC LỤC MỤC LỤC ....................................................................................................................... i DANH MỤC BẢNG BIỂU ........................................................................................... v DANH MỤC HÌNH VẼ................................................................................................ vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU .....................................................................................xii MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ............................................. 6 1.1. Tổng quan về công nghệ cầu dầm hộp lắp ghép phân đoạn ............................... 6 1.1.1. Công nghệ xây dựng cầu dầm lắp ghép phân đoạn ............................................... 6 1.1.2. Công nghệ chế tạo đốt dầm lắp ghép phân đoạn ................................................. 12 1.1.3. Tình hình áp dụng công nghệ lắp ghép phân doạn trong xây dựng cầu trên thế giới và Việt Nam ........................................................................................................... 15 1.2. Mối nối sử dụng trong cầu lắp ghép phân đoạn ................................................ 21 1.2.1 Mối nối ướt bằng bê tông đổ tại chỗ có cốt thép chờ (mối nối loại 1) ................. 22 1.2.2 Mối nối ướt bằng bê tông không có cốt thép chờ (mối nối loại 2) ....................... 24 1.2.3 Mối nối bằng vữa xi măng (mối nối loại 3).......................................................... 25 1.2.4 Mối nối ướt sử dụng keo epoxy (mối nối loại 4).................................................. 25 1.2.5 Mối nối khô (mối nối loại 5) ................................................................................ 26 1.2.6 Mối nối có khoá chống cắt và keo epoxy (mối nối loại 6) ................................... 27 1.3. Tình hình sử dụng các dạng mối nối lắp ghép ................................................... 28 1.3.1. Tình hình áp dụng các dạng mối nối ở các nước trên thế giới ............................ 28 1.3.2. Tình hình áp dụng mối nối ở Việt Nam .............................................................. 28 1.4. Tình hình nghiên cứu về sức kháng cắt của mối nối trong cầu dầm lắp ghép phân đoạn ..................................................................................................................... 31 1.4.1 Các nghiên cứu về sức kháng cắt của mối nối phẳng........................................... 31 1.4.2 Các nghiên cứu về sức kháng cắt của mối nối có khoá chống cắt ....................... 35 1.5 Đánh giá chung về hiện trạng mối nối ................................................................. 49 1.5.1 Đối với mối nối ướt sử dụng vữa xi măng, bê tông và keo epoxy ....................... 49 1.5.2 Đối với mối nối khô (mối nối loại 5).................................................................... 50
ii 1.5.3 Đối với mối nối có keo epoxy và kháo chống cắt ................................................ 50 1.6 Kết luận chƣơng..................................................................................................... 51 CHƢƠNG 2: PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ SỨC KHÁNG CỦA MỐI NỐI CÓ KHÓA CHỐNG CẮT TRONG CẦU LẮP GHÉP PHÂN ĐOẠN ......................... 52 2.1. Cơ chế truyền lực cắt và sự hình thành sức kháng cắt tại mối nối .................. 52 2.1.1 Cơ chế truyền lực cắt và sức kháng cắt trong dầm bê tông cốt thép dự ứng lực toàn khối52 2.1.2 Cơ chế truyền lực cắt và sức kháng cắt trong dầm bê tông cốt thép dự ứng lực lắp ghép phân đoạn .............................................................................................................. 53 2.1.3 Các dạng phá hủy dầm do thiếu hụt sức kháng cắt ở mối nối .............................. 53 2.2. Ứng xử chịu cắt của mối nối có khóa chống cắt ................................................ 54 2.2.1 Các mô hình thiết kế mối nối có khóa chống cắt ................................................. 54 2.2.2 Mô hình ma sát cắt trượt....................................................................................... 55 2.2.3 Mô hình chống - giằng (giàn ảo) .......................................................................... 57 2.2.4 Mô hình sức kháng mô men ................................................................................. 58 2.3 Đánh giá sức kháng cắt của mối nối có khóa chống cắt theo các tiêu chuẩn và chỉ dẫn kỹ thuật hiện hành ......................................................................................... 59 2.3.1 Tính theo AASHTO1999,2017 [9] ....................................................................... 59 2.3.2 Tính theo công thức của Tiêu chuẩn Đức DBV99 [11] ....................................... 60 2.3.3 Tính theo công thức của Roberts và Breen [20] ................................................... 60 2.3.4 Tính theo công thức của Rombach [10] ............................................................... 60 2.3.5 Tính theo 22TCN 272 – 05 [1] ............................................................................. 61 2.3.6 Tính theo tiêu chuẩn Châu âu [8] ......................................................................... 61 2.4 Xét ảnh hƣởng của xoắn đến ứng xử cắt đối với dầm hộp toàn khối và dầm lắp ghép phân đoạn ..................................................................................................... 62 2.4.1 Ứng xử chịu uốn và xoắn của dầm hộp bê tông dự ứng lực toàn khối ................ 62 2.4.2 Nghiên cứu xoắn dầm hộp nguyên khối ............................................................... 63 2.4.3 Nghiên cứu ứng xử chịu cắt và xoắn đồng thời trong cầu dầm hộp lắp ghép phân đoạn70 2.5. Kết luận chƣơng.................................................................................................... 71
iii CHƢƠNG 3: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VÀ PHÂN TÍCH MÔ PHỎNG SỐ ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG CHỊU CẮT CỦA KHÓA CHỐNG CẮT ................ 73 3.1 Thiết kế nghiên cứu và xác lập mẫu thí nghiệm ................................................. 73 3.2. Đánh giá khả năng chịu cắt của mẫu thí nghiệm theo 22TCN272-05 ............ 75 3.3 Nghiên cứu thực nghiệm xác định khả năng chịu cắt của mẫu ........................ 77 3.3.1 Thiết kế thành phần bê tông đúc mẫu thí nghiệm ................................................ 77 3.3.2 Thiết kế mẫu thí nghiệm ....................................................................................... 77 3.4 Xử lý số liệu và kết quả thí nghiệm ...................................................................... 81 3.4.1 Kết quả thí nghiệm tổ mẫu S30 ............................................................................ 81 3.4.2 Kết quả thí nghiệm tổ mẫu S40 ............................................................................ 86 3.4.3 Kết quả thí nghiệm tổ mẫu S55 ............................................................................ 91 3.4.4 Kết quả thí nghiệm tổ mẫu S60 ............................................................................ 96 3.5. Phân tích mô phỏng số sức kháng cắt của khóa chống cắt ............................. 102 3.5.1 Mô hình phân tích mẫu khóa chống cắt ............................................................. 102 3.5.2 Mô hình FEM và phần mềm sử dụng ................................................................. 103 3.5.3. Kết quả phân tích số .......................................................................................... 104 3.5.4 So sánh kết quả thí nghiệm và phân tích số ....................................................... 116 3.6 Kết luận chƣơng................................................................................................... 118 CHƢƠNG 4: ẢNH HƢỞNG CỦA XOẮN ĐẾN KHẢ NĂNG CHỊU CẮT CỦA MỐI NỐI VỚI KHÓA CHỐNG CẮT ..................................................................... 120 4.1 Khái quát .............................................................................................................. 120 4.2 Mô hình mô phỏng số nghiên cứu ảnh hƣởng của xoắn đến sức kháng cắt của mối nối có khóa chống cắt đối với mẫu dầm lắp ghép ........................................... 120 4.2.1 Cấu tạo mẫu thí nghiệm và mô phỏng ................................................................ 120 4.2.2. Vật liệu và các đặt trưng cơ lý của vật liệu ....................................................... 123 4.2.3. Kết quả phân tích mô phỏng và định lượng ảnh hưởng của xoắn đến sức kháng cắt của mối nối ............................................................................................................. 124 4.3. Vận dụng trong phân tích ứng xử tải trọng của kết cấu cầu dầm hộp liên tục lắp ghép phân đoạn ................................................................................................... 130
iv 4.3.1. Thông số kết cấu ................................................................................................ 130 4.3.2. Mô hình số ......................................................................................................... 131 4.3.3. Kết quả phân tích và thảo luận .......................................................................... 133 4.4. Kết luận chƣơng.................................................................................................. 137 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................... 139 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ .............................................. 141 PHỤ LỤC ................................................................................................................... 147
v DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Các loại mối nối của các cầu phân đoạn ở Mỹ .............................................. 28 Bảng 1.2 Tổng hợp các nghiên cứu đối với mô hình [24] ............................................. 32 Bảng 1.3 Tổng hợp các nghiên cứu đối với dầm lắp ghép ............................................ 34 Bảng 1.4 Kết quả thí nghiệm và tính toán khả năng chịu cắt của khóa ........................ 41 Bảng 1.5 Tổng hợp kết quả thí nghiệm ......................................................................... 43 Bảng 1.6 Bảng so sánh kết quả phân tích số và thí nghiệm khoá đơn .......................... 45 Bảng 1.7 Bảng so sánh kết quả phân tích số và thí nghiệm với 3 khoá ........................ 45 Bảng 2.1 Tổng hợp kết quả tính theo các tiêu chuẩn và công thức của các tác giả ...... 61 Bảng 2.2 Giá trị ứng suất tiếp do mô-men xoắn............................................................ 65 Bảng 3. 1 Các đặc trưng của tổ mẫu thí nghiệm. .......................................................... 76 Bảng 3. 2 Khả năng chịu cắt của khóa khi lực ngang thay đổi từ 1 – 6 MPa. .............. 76 Bảng 3. 3 Tổng hợp mẫu thí nghiệm. ............................................................................ 77 Bảng 3. 4 Tổng lợp lực V – H và chuyển vị khi phá hoại tổ mẫu S30.......................... 86 Bảng 3. 5 Tổng lợp lực V – H và chuyển vị khi phá hoại tổ mẫu S40.......................... 91 Bảng 3. 6 Tổng lợp lực V – H và chuyển vị khi phá hoại tổ mẫu S55.......................... 96 Bảng 3. 7 Tổng lợp lực V – H và chuyển vị khi phá hoại tổ mẫu S60........................ 101 Bảng 3. 8 Tổng hợp khả năng chịu cắt các tổ mẫu...................................................... 101 Bảng 3. 9 Tổng hợp kết quả mô phỏng tổ mẫu S30. ................................................... 105 Bảng 3. 10 Tổng hợp kết quả mô phỏng tổ mẫu S40. ................................................. 107 Bảng 3. 11 Tổng hợp kết quả mô phỏng tổ mẫu S55. ................................................. 109 Bảng 3. 12 Tổng hợp kết quả mô phỏng tổ mẫu S60. ................................................. 111 Bảng 3. 13 Tổng hợp kết quả mô phỏng tổ mẫu S55 có cốt thép. .............................. 113 Bảng 3. 14 Tổng hợp kết quả mô phỏng tổ mẫu S60 có cốt thép. .............................. 115 Bảng 3. 15 Bảng so sánh kết quả thí nghiệm và phân tích mô phỏng số các tổ mẫu .. 117 Bảng 3. 16 Bảng so sánh kết quả phân tích mô phỏng mẫu có cốt thép và không có cốt thép.............................................................................................................................................. 118 Bảng 3. 17 Tổng hợp kết quả xác định khả năng chịu cắt các mẫu nghiên cứu ......... 119 Bảng 4.1 Đặc tính vật liệu, bố trí cáp và độ lệch tâm của tải trọng thí nghiệm. ......... 121 Bảng 4.2 Kết quả tải trọng thẳng đứng khi phá hoại mẫu thí nghiệm......................... 123 Bảng 4.3 Bảng tổng hợp kết quả tính toán mô phỏng. ................................................ 129 Bảng 4.4 Các thông số vật liệu bê tông. ...................................................................... 132 Bảng 4.5 Các chỉ tiêu cơ lý thép cường độ cao. .......................................................... 132 Bảng 4.6 Tổng hợp kết quả phân tích với tĩnh tải và HL93. ....................................... 135
vi DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1. 1 Sơ đồ minh họa cơ chế lắp ghép phân đốt trên đà giáo cố định ...................... 6 Hình 1. 2 Sơ đồ minh họa cơ chế vận hành công nghệ lắp ghép hẫng tịnh tiến ............. 7 Hình 1. 3 Quá trình thi công cầu Linn Cove bằng công nghệ lắp hẫng tịnh tiến ............ 7 Hình 1. 4 Sơ đồ minh họa cơ chế vận hành công nghệ lắp ghép cân bằng đối xứng bằng dàn treo di động ...................................................................................................... 8 Hình 1. 5 Quá trình thi công cầu Oleron bằng công nghệ lắp ghép cân bằng đối xứng bằng giàn treo di động. .................................................................................................... 8 Hình 1. 6 Quá trình công nghệ thi công lắp hẫng cân bằng. ......................................... 10 Hình 1. 7 Sơ đồ minh họa cơ chế vận hành công nghệ Span By Span ......................... 10 Hình 1. 8 Hình ảnh thi công SBS Tân Vũ - Lạch Huyện .............................................. 11 Hình 1. 9 Sơ đồ nguyên tắc bố trí đúc dầm theo kỹ thuật long-line.............................. 12 Hình 1. 10 Bệ đúc tuyến dài của cầu sông Kentucky-Mỹ. ............................................ 13 Hình 1. 11 Bệ đúc và ván khuôn trên một công trường theo công nghệ đúc trên bệ ngắn. ........................................................................................................................................ 14 Hình 1. 12 Hình ảnh thi công cầu Boston ..................................................................... 15 Hình 1. 13 Hình ảnh thi công cầu Spagetti Bowl .......................................................... 16 Hình 1. 14 Hình ảnh thi công cầu Senkang & Panggol ................................................. 16 Hình 1. 15 Hình ảnh thi công cầu Middle Ring Road – Missing Link ......................... 17 Hình 1. 16 Hình ảnh thi công cầu Light Rail Transit 2 - Kualalumpur ....................... 17 Hình 1. 17 Hình ảnh thi công cầu Paksey ..................................................................... 18 Hình 1. 18 Hình ảnh thi công cầu Bangna, Thái Lan .................................................... 18 Hình 1. 19 Hình ảnh cầu Wat Nakorn ........................................................................... 19 Hình 1. 20 Hình ảnh thi công cầu Kiền, TP. Hải Phòng ............................................... 20 Hình 1. 21 Thi công nhịp cầu dự án Tân Vũ - Lạch Huyện .......................................... 21 Hình 1.23 Mối nối bằng bê tông đổ tại chỗ có cốt thép chờ ......................................... 24 Hình 1.24 Mối nối loại 2 (bê tông hạt mịn) ................................................................... 25 Hình 1.25 Mối nối loại 3 (vữa xi măng) ........................................................................ 25 Hình 1.26 Mối nối có khóa và keo epoxy liên kết ........................................................ 27 Hình 1.27 Bố trí các loại khoá chống cắt theo phương dọc .......................................... 29 Hình 1.28 Mặt cắt ngang tại vị trí mối nối loại A ......................................................... 29 Hình 1.29 Mặt cắt ngang tại vị trí mối nối loại B ......................................................... 29
vii Hình 1.30 Cấu tạo và bố trí khoá chống cắt tại sườn hộp ............................................. 30 Hình 1.31 Cấu tạo chi tiết khoá chống cắt tại bản nắp .................................................. 30 Hình 1.32 Bố trí khoá chống cắt trên mặt cắt ngang ..................................................... 30 Hình 1.33 Cấu tạo chi tiết các loại khoá chống cắt ....................................................... 30 Hình 1.34 Mô hình mối nối thí nghiệm ......................................................................... 36 Hình 1.35 Đường cong ứng suất cắt - trượt đối với mối nối khô có khóa ứng với các mức ứng suất nén khác nhau ......................................................................................... 36 Hình 1.36 Sự hình thành vết nứt trong mối nối khô có khóa và mối nối có keo epoxy có khóa............................................................................................................................................... 37 Hình 1.37 Cấu tạo nhịp cầu, mặt cắt ngang, khoá chống cắt tại sườn và bản ............... 37 Hình 1.38 Mô phỏng cáp DƯL và phân bố ứng suất khi chịu tải ................................. 38 Hình 1.39 So sánh kết quả thí nghiệm và kết quả phân tích số ..................................... 38 Hình 1.40 Phân bố ứng suất pháp và cắt trong mối nối dóng và mối nối hở ................ 39 Hình 1.41Mô hình mối nối khô và so ánh kết quả tính toán với các tiêu chuẩn khác . 40 Hình 1.42 Cấu tạo mẫu và bố trí thiết bị thí nghiệm ..................................................... 40 Hình 1.43 Biểu đồ mối quan hệ tải trọng và biến dạng ................................................. 41 Hình 1.44 Cấu tạo mẫu thí nghiệm ................................................................................ 42 Hình 1.45 Hình ảnh đúc mẫu thí nghiệm ...................................................................... 43 Hình 1.46 Phát triển vết nứt khi thí nghiệm khoá đơn .................................................. 44 Hình 1.47 Phát triển vết nứt khi thí nghiệm mẫu 3 khoá chống cắt .............................. 44 Hình 1.48 Mô hình bố trí thí nghiệm và phân tích số ................................................... 45 Hình 1.49 Kết quả tính toán so sánh khả năng chịu cắt của khóa chống cắt theo đề xuất của tác giả, theo các tiêu chuẩn và công thức khác nhau .............................................. 46 Hình 1.50 Mô hình phân tích số và so sánh thí nghiệm ................................................ 47 Hình 1.51 Mối quan hệ giữa ứng suất cắt trung bình qua khóa, ứng suất nén và số khóa chống cắt ........................................................................................................................ 47 Hình 1.52 Cấu tạo mẫu và mô hình phân tích ............................................................... 48 Hình 1.53 Mối quan hệ giữa tải trọng theo phương đứng, phương ngang và chuyển vị .................................................................................................................................... 48 Hình 1.54 Các dạng vết nứt, độ mở rộng vết nứt xuất hiện tương ứng với áp lực nén 49 Hình 2.1 Mô hình phá hủy của dầm bê tông cốt thép dự ứng lực toàn khối do lực cắt.................................................................................................................................. 52
viii Hình 2.2 Mô hình phá hủy của dầm BTCT DƯL lắp ghép phân đoạn do lực cắt ........ 53 Hình 2.3 Kích thước khoá chịu cắt ................................................................................ 55 Hình 2.4 Cốt thép chịu ma sát cắt tại góc nứt giả thiết ................................................. 57 Hình 2.5 Mô hình chống - giằng ................................................................................... 58 Hình 2.6 Khả năng chịu cắt dựa trên mô men kháng cắt .............................................. 59 Hình 2.7 Biểu đồ so sánh giá trị khả năng chịu cắt Vj (kN) ......................................... 62 Hình 2.8 Vết nứt đáy dầm hộp chịu uốn và xoắn đồng thời. ........................................ 63 Hình 2.9 Các hiệu ứng gây ra trên mặt cắt ngang do tải trọng lệch tâm. ...................... 63 Hình 2.10 Kích thước hình học mặt cắt giữa dầm. ........................................................ 64 Hình 2.11 Biểu đồ ứng suất tiếp do xoắn trong mặt cắt dầm. ....................................... 65 Hình 2.12 Biểu đồ ứng suất tiếp do lực cắt trong mặt cắt dầm. .................................... 66 Hình 2.13 Biểu đồ ứng suất tiếp tổng hợp trên mặt cắt dầm. ........................................ 66 Hình 2.14 Trường biến dạng theo phương ngang tại mặt cắt giữa dầm (tỷ lệ: 103). .... 67 Hình 2.15 Trường phân bố ứng suất pháp tại mặt cắt giữa dầm. .................................. 67 Hình 2.16 Trường phân bố ứng suất tiếp tại mặt cắt giữa dầm. .................................... 68 Hình 2.17 Lực cắt trên mặt cắt ngang dầm khi chịu xoắn. ............................................ 70 Hình 2.18 Cấu tạo dầm phân tích .................................................................................. 71 Hình 3.1 Cấu tạo tổ mẫu số S30 và cấu tạo mẫu S30-1, S30-2. .................................... 73 Hình 3.2 Cấu tạo tổ mẫu số S40 và cấu tạo mẫu S40-1, S40-2. .................................... 74 Hình 3.3 Cấu tạo tổ mẫu số S55 và cấu tạo mẫu S55-1, S55-2. .................................... 74 Hình 3.4 Cấu tạo tổ mẫu số S60 và cấu tạo mẫu S60-1, S60-2. .................................... 75 Hình 3.5 Biểu đồ tương quan lực ngang và lực thảng đứng.......................................... 76 Hình 3.6 Cấu tạo ván khuôn đúc mẫu loại 2 và loại 1. ................................................. 78 Hình 3.7 Tổ chức đúc mẫu loại 2 và loại 1 theo nguyên lý in oản. ............................... 78 Hình 3.8 Mẫu loại 1 và loại 2 sau khi được gia cường. ................................................ 79 Hình 3.9 Cấu tạo giá thí nghiệm. ................................................................................... 80 Hình 3.10 Hình ảnh bố trí thiết bị thí nghiệm. .............................................................. 81 Hình 3.11 Biểu đồ tương quan V-H thí nghiệm mẫu S30 lần 2. ................................... 81 Hình 3.12 Biểu đồ tương quan V-D thí nghiệm mẫu S30 lần 2. ................................... 82 Hình 3.13 Biểu đồ tương quan V-H thí nghiệm mẫu S30 lần 3. ................................... 82 Hình 3.14 Biểu đồ tương quan V-D thí nghiệm mẫu S30 lần 3. ................................... 83 Hình 3.15 Biểu đồ tương quan V-H thí nghiệm mẫu S30 lần 4. ................................... 83
ix Hình 3.16 Biểu đồ tương quan V-D thí nghiệm mẫu S30 lần 4. ................................... 84 Hình 3.17 Biểu đồ tương quan V-H thí nghiệm mẫu S30 lần 5. ................................... 84 Hình 3.18 Biểu đồ tương quan V-D thí nghiệm mẫu S30 lần 5. ................................... 85 Hình 3.19 Hình ảnh phá hoại mẫu thí nghiệm tổ mẫu S30. .......................................... 85 Hình 3. 20 Biểu đồ tương quan V-H thí nghiệm mẫu S40 lần 2. .................................. 86 Hình 3. 21 Biểu đồ tương quan V-D thí nghiệm mẫu S40 lần 2. .................................. 87 Hình 3. 22 Biểu đồ tương quan V-H thí nghiệm mẫu S40 lần 3. .................................. 87 Hình 3. 23 Biểu đồ tương quan V-D thí nghiệm mẫu S40 lần 3. .................................. 88 Hình 3. 24 Biểu đồ tương quan V-H thí nghiệm mẫu S40 lần 4. .................................. 88 Hình 3. 25 Biểu đồ tương quan V-D thí nghiệm mẫu S40 lần 4. .................................. 89 Hình 3. 26 Biểu đồ tương quan V-H thí nghiệm mẫu S40 lần 5. .................................. 89 Hình 3. 27 Biểu đồ tương quan V-D thí nghiệm mẫu S40 lần 5. .................................. 90 Hình 3. 28 Hình ảnh phá hoại mẫu thí nghiệm tổ mẫu S40. ......................................... 90 Hình 3. 29 Biểu đồ tương quan V-H thí nghiệm mẫu S55 lần 2. .................................. 91 Hình 3. 30 Biểu đồ tương quan V-D thí nghiệm mẫu S55 lần 2. .................................. 92 Hình 3. 31 Biểu đồ tương quan V-H thí nghiệm mẫu S55 lần 3. .................................. 92 Hình 3. 32 Biểu đồ tương quan V-D thí nghiệm mẫu S55 lần 3. .................................. 93 Hình 3. 33 Biểu đồ tương quan V-H thí nghiệm mẫu S55 lần 4. .................................. 93 Hình 3. 34 Biểu đồ tương quan V-D thí nghiệm mẫu S55 lần 4. .................................. 94 Hình 3. 35 Biểu đồ tương quan V-H thí nghiệm mẫu S55 lần 5. .................................. 94 Hình 3. 36 Biểu đồ tương quan V-D thí nghiệm mẫu S55 lần 5. .................................. 95 Hình 3. 37 Hình ảnh phá hoại mẫu thí nghiệm tổ mẫu S55. ......................................... 95 Hình 3. 38 Biểu đồ tương quan V-H thí nghiệm mẫu S60 lần 1. .................................. 96 Hình 3. 39 Biểu đồ tương quan V-D thí nghiệm mẫu S60 lần 1. .................................. 97 Hình 3. 40 Biểu đồ tương quan V-H thí nghiệm mẫu S60 lần 2. .................................. 97 Hình 3. 41Biểu đồ tương quan V-D thí nghiệm mẫu S60 lần 2. ................................... 98 Hình 3. 42 Biểu đồ tương quan V-H thí nghiệm mẫu S60 lần 4. .................................. 98 Hình 3. 43 Biểu đồ tương quan V-D thí nghiệm mẫu S60 lần 4. .................................. 99 Hình 3. 44 Biểu đồ tương quan V-H thí nghiệm mẫu S60 lần 5. .................................. 99 Hình 3. 45 Biểu đồ tương quan V-D thí nghiệm mẫu S60 lần 5. ................................ 100 Hình 3. 46 Hình ảnh phá hoại mẫu thí nghiệm tổ mẫu S60. ....................................... 100 Hình 3.47 Biểu đồ so sánh và xu hướng chịu lực của các tổ mẫu thí nghiệm. ........... 102
x Hình 3. 48 Sơ đồ tính mẫu thí nghiệm. ....................................................................... 102 Hình 3. 49 Mô hình khóa chống cắt và mặt trượt tiếp xúc. ......................................... 103 Hình 3. 50 Hàm thông số ảnh hưởng của từ biến và co ngót theo thời gian. .............. 104 Hình 3. 51 Mô hình mô phỏng mẫu S30 ..................................................................... 104 Hình 3. 52 Ứng suất và vùng phát triển vết nứt tại khóa cắt tổ mẫu S30.................... 105 Hình 3. 53 Biểu đồ thể hiện tương quan độ mở rộng vết nứt, chuyển vị và lực nén. . 106 Hình 3. 54 Biểu đồ thể hiện tương quan ứng suất cắt, áp lực ngang và lực nén ......... 106 Hình 3. 55 Mô hình mô phỏng mẫu S40. .................................................................... 106 Hình 3. 56 Ứng suất và vùng phát triển vết nứt tại khóa cắt tổ mẫu S40.................... 107 Hình 3. 57 Biểu đồ thể hiện tương quan độ mở rộng vết nứt, chuyển vị và lực nén. . 108 Hình 3. 58 Biểu đồ tương quan ứng suất cắt, áp lực ngang và lực thẳng đứng .......... 108 Hình 3. 59 Mô hình mô phỏng mẫu S55 ..................................................................... 108 Hình 3. 60 Ứng suất và vùng phát triển vết nứt tại khóa cắt tổ mẫu S55.................... 109 Hình 3. 61 Biểu đồ thể hiện tương quan độ mở rộng vết nứt, chuyển vị và lực nén. . 110 Hình 3. 62 Biểu đồ tương quan ứng suất cắt, áp lực ngang và lực thẳng đứng .......... 110 Hình 3. 63 Mô hình mô phỏng mẫu S60. .................................................................... 110 Hình 3. 64 Ứng suất và vùng phát triển vết nứt tại khóa cắt S60................................ 111 Hình 3. 65 Biểu đồ thể hiện tương quan độ mở rộng vết nứt, chuyển vị và lực nén. . 112 Hình 3. 66 Biểu đồ tương quan ứng suất cắt, áp lực ngang và lực thẳng đứng .......... 112 Hình 3. 67 Mô hình mô phỏng khóa S55 có cốt thép. ................................................. 112 Hình 3. 68 Ứng suất và vùng phát triển vết nứt tại khóa cắt S55 có cốt thép ............. 113 Hình 3. 69 Biểu đồ thể hiện tương quan độ mở rộng vết nứt, độ võng và lực thẳng đứng........................................................................................................................................ 113 Hình 3. 70 Biểu đồ thể hiện tương quan ứng suất cắt, áp lực ngang và lực thẳng đứng. 114 Hình 3. 71 So sánh độ mở rộng vết nứt có và không có thép mẫu S55. ..................... 114 Hình 3. 72 Mô hình mô phỏng khóa S60 có cốt thép. ................................................. 114 Hình 3. 73 Vùng phát triển vết nứt tại khóa cắt S60 có cốt thép ................................ 115 Hình 3. 74 Biểu đồ thể hiện tương quan độ mở rộng vết nứt, chuyển vị và lực nén. . 115 Hình 3. 75 Biểu đồ thể hiện tương quan ứng suất cắt, áp lực ngang và lực thẳng đứng. 116 Hình 3. 76 So sánh độ mở rộng vết nứt có và không có thép mẫu S60. ..................... 116 Hình 3. 77 Biểu đồ so sánh khả năng chiu cắt theo tính toán và thí nghiệm .............. 119 Hình 3. 78 So sánh khả năng chịu cắt của khóa không bố trí và có bố trí cốt thép
xi d8 ................................................................................................................................. 119 Hình 4.1: Mô hình ứng suất tiếp phụ thêm do mô men xoắn. ..................................... 120 Hình 4.2 Cấu tạo và bố trí cáp trên mẫu thí nghiệm. .................................................. 121 Hình 4.3 Sơ đồ bố trí thí nghiệm. ................................................................................ 122 Hình 4.4 Hàm thông số ảnh hưởng của từ biến và co ngót theo thời gian. ................. 124 Hình 4.5 Độ võng và ứng suất phân tích mẫu C1, cáp đặt thẳng, lực đúng tâm. ........ 125 Hình 4.6 Độ võng và ứng suất phân tích mẫu C2, cáp đặt thẳng, lực lệch tâm 100 mm. ....................................................................................................................... 125 Hình 4.7 Độ võng và ứng suất phân tích mẫu C3, cáp đặt thẳng, lực lệch tâm 200 mm. ....................................................................................................................... 126 Hình 4.8 Độ võng và ứng suất phân tích mẫu D1, cáp đặt gẫy khúc, lực đúng tâm. .. 127 Hình 4.9 Độ võng và ứng suất phân tích mẫu D2, cáp đặt gẫy khúc, lực lệch tâm 100 mm.127 Hình 4.10 Độ võng và ứng suất phân tích mẫu D3, cáp đặt gẫy khúc, lực lệch tâm 200 mm. ....................................................................................................................................... 128 Hình 4.11 Biểu đồ quan hệ lực thẳng đứng và ứng suất cắt tại khóa chống cắt. ........ 128 Hình 4.12 Biểu đồ mô tả độ võng và ứng suất từ kết quả mô phỏng. ......................... 129 Hình 4.13 Sơ đồ kết cấu và bố trí mối nối. .................................................................. 131 Hình 4.14 Mặt cắt ngang tại vị trí mối nối loại A (Type A). ...................................... 131 Hình 4.15 Mặt cắt ngang tại vị trí mối nối loại B (Type B). ....................................... 131 Hình 4.16 Hoạt tải tính toán HL 93. ............................................................................ 133 Hình 4.17 Kết quả phân tích với tĩnh tải. .................................................................... 133 Hình 4.18 Kết quả phân tích với HL93 đặt đúng tâm. ................................................ 134 Hình 4.19 Kết quả phân tích với HL93 đặt lệch tâm................................................... 134 Hình 4.20 Mô tả mở rộng mối nối và gradien ứng suất. ............................................. 135 Hình 4.22 Biểu đồ ứng suất kéo tại đỉnh trụ và giữa nhịp theo lần cấp tải HL93. ...... 136 Hình 4.23 Ứng suất cắt trên khóa theo cấp tải HL93. ................................................. 136 Hình 4.24 Độ võng do hoạt tải gây ra trên cầu. ........................................................... 137
xii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU Ajoint, Aw - diện tích vùng nén của mối nối Ak, Ask - diÖn tÝch cña tÊt c¶ c¸c khóa trong mÆt ph¼ng ph¸ ho¹i Akey - diện tích nhỏ nhất của tất cả khóa trong mặt phẳng phá hoại As - diện tích cốt thép Asm - diện tích tiếp xúc giữa bề mặt phẳng trong mặt phẳng phá hoại AT - diện tích chịu cắt có hiệu Avf - là diện tích của cốt thép thẳng đứng qua khúa chống cắt - diện tích bê tông tham gia truyền lực cắt bi - bệ rộng chịu lực hữu hiệu của mặt cắt ngang bv - bề rộng mặt tiếp xúc bw - bề rộng của thành hộp, bề rộng mối nối c - hệ số dính bám dc - chiều cao của thành hộp trong vùng nén (tính từ trục trung hào đến mép chịu nén) ds - khoảng cách nằm ngang từ thanh chống tới chân chịu nén f - hệ số cho phần lõm của mối nối F.O.S - hệ số an toàn fc - ứng suất nén do dự ứng lực fy - giới hạn chảy của thép , - cường độ chịu nén của bê tông - ứng suất kéo thiết kế , - ứng suất nén trong bê tông sau khi đã trừ đi các mất mát h - chiều cao của khóa chống cắt hc - chiều cao mối nối vùng nén Mn - mô men kháng danh định Pn, Pc - lực nén dự ứng lực sau khi trừ đi các mất mát ứng suất - tổng lực kéo - cường độ cắt khi phá huỷ
xiii - ứng suất cắt tính toán - ứng suất cắt danh định Vc - thành phần sức kháng cắt do đóng góp của bê tông VEd, Vuj - lực cắt tính toán Vf - sức kháng cắt do ma sát Vk - sức kháng cắt do khoá chống cắt Vn , Vj , , - sức kháng cắt danh định Vp - thành phần sức kháng cắt do đóng góp của cốt thép dự ứng lực Vr - thành phần sức kháng cắt do đóng góp của các loại cốt thép thường - sức kháng cắt tính toán Z - chiều cao chịu lực hữu hiệu mặt cắt ngang - tỷ số giữa chiều cao và chiều dày của khóa - góc ma sát của mặt phẳng tiếp xúc - là góc giữa cốt thép cắt và mặt phẳng cắt β - hệ số lực dọc  - hệ số má sát  - hệ số sức kháng - hệ số chiết giảm sức kháng cắt - khoảng cách từ trọng tâm điểm đặt lực kéo tới trọng tâm điểm đặt lực nén - hệ số an toàn - hệ số an toàn lực dự ứng lực - tổng số các hàng cốt thép ngang qua bề mặt khóa chống cắt - ứng suất nén trung bình tại mặt phẳng mối nối sau khi đã trừ đi các mất mát ứng suất Φf - Hệ số chiết giảm đối với uốn Φv - Hệ số chiết giảm đối với cắt
1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ, ngành kỹ thuật xây dựng công trình giao thông không ngừng lớn mạnh cả về quy mô, kỹ thuật thiết kế và công nghệ xây dựng. Các nghiên cứu không chỉ đưa ra những giải pháp kết cấu vượt được nhịp lớn hơn nhằm đáp ứng yêu cầu ngày càng cao của tĩnh không thông thuyền cũng như vượt những chướng ngại vật có khẩu độ lớn như các eo biển, thung lũng... các công nghệ thi công hiện đại cũng luôn được chú trọng nghiên cứu nhằm cải thiện điều kiện thi công, đẩy nhanh tiến độ phát huy hiệu quả vốn đầu tư. Trong những năm vừa qua, công nghệ thi công không ngừng được cải tiến, từ việc thi công đúc trên đà giáo ảnh hưởng đến điều kiện thông xe, thông thuyền thì công nghệ thi công đúc hẫng, lắp hẫng cũng được áp dụng rộng rãi. Việc áp dụng công nghệ lắp ghép và lắp ghép phân đoạn cho phép đẩy nhanh được tiến độ thi công vì công tác đúc các đốt dầm được tiến hành song song cùng công tác thi công mố, trụ và các hạng mục khác do đó rút ngắn được tiến độ thi công công trình. Công nghệ lắp ghép phân đoạn đặt biệt phát huy ưu thế khi thi công công trình cầu khu vực đô thị, mặt bằng thi công chật hẹp, khi đó các đốt dầm được đúc ở khu vực xa đô thị sau đó vận chuyển vào lắp ghép hoàn thiện. Những khái niệm đầu tiên về cấu kiện phân đốt bê tông đúc sẵn lắp ghép đã bắt đầu hình thành trong những năm đầu của thập niên 30 của thế kỷ trước. Người đặt nền móng là Eugene Freyssinet, cho đến năm 1946 mới có thiết kế và thi công công trình cầu lắp ghép đầu tiên trên thế giới - cầu Luzancy bắc qua sông Marne. Đây là cây cầu vòm bê tông cốt thép dự ứng lực đầu tiên trên thế giới theo đó các phân đốt dầm được lắp ghép trên hệ cột chống đà giáo tạm thời và sử dụng vật liệu vữa bê tông làm chất chèn khe tại vị trí mối nối. Không lâu sau đó
2 đã có thêm 5 cây cầu vòm bê tông cốt thép khẩu độ nhịp 74m bắc qua sông Marne. Hình 1. Cầu Luzancy bắc qua sông Marnc. Tiếp sau đó, vào năm 1962, Muller đã thiết kế và áp dụng thành công công nghệ lắp ghép các phân đoạn dầm hộp bê tông liên kết bằng mối nối keo Epoxy. Kết cấu dạng hộp bê tông dự ứng lực có nhũng đặc điểm mang tính lợi thế hơn so với dạng chữ I do khả năng chống xoắn tốt và bảo đảm tính toàn khối liên tục giữa các phân đốt, cũng như đạt được các tiêu chí về hình dáng kiến trúc đẹp, hài hòa với môi trường xung quanh. Từ những công trình thử nghiệm ban đầu này, các nước trên thế giới đã tiếp tục xây dựng nhiều dạng cầu bê tông dự ứng lực lắp ghép có quy mô lớn với những giải pháp công nghệ ngày càng hiện đại và mang lại hiệu quả về mặt kỹ thuật, mỹ thuật và kinh tế. Tuy nhiên, với dạng kết cấu nhịp cầu lắp ghép phân đoạn việc tồn tại các mối nối sẽ làm cho cơ chế chịu lực nói chung và cơ chế chịu cắt, xoắn nói riêng sẽ có sự khác biệt, do dó năm 1959 Franz [3] đã nghiên cứu đối với mô hình mối nối vữa xi măng phẳng, răng cưa không có cốt thép, tiếp đến là các nghiên cứu của Jones năm 1959[3], Buyukozturk, Bakhoum, Beattie năm 1990[25] với mối nối khô và keo epoxy phẳng và có một khóa chống cắt không có cốt thép… Trong những năm trở lại đây các hướng nghiên cứu chính của đề tài liên
3 quan là nhằm làm rõ khả năng chịu cắt của khóa chống cắt cũng như của mối nối và đặc biệt là chịu xoắn của mối nối đối với dầm hộp đúc phân đoạn lắp ghép nhằm đưa ra những chỉ dẫn, tiêu chuẩn cho việc thiết kế mối nối. Cùng với xu thế đổi mới phát triển của đất nước, Ngành giao thông vận tải Việt Nam trong những năm qua đã đạt được nhiều thành tích trong lĩnh vực xây dựng các công trình hạ tầng giao thông vận tải từ cấp truyền thống đến hiện đại, nắm bắt được những giải pháp, công nghệ thi công tiên tiến trên thế giới cho phép chúng ta có thể xây dựng các công trình cầu có khẩu độ nhịp lớn, tiến độ thi công nhanh đáp ứng được yêu cầu khai thác. Ở nước ta công nghệ lắp ghép được Ngành giao thông vận tải tập trung nghiên cứu bắt đầu từ giữa năm 2000, tập trung cho nhịp trung từ 40-60m, các dạng mặt cắt ngang thường là mặt cắt chữ T, mặt cắt hộp…các công trình này đã được thi công xây dựng, mặc dù còn nhiều tồn tại tuy nhiên cơ bản đáp ứng được yêu cầu khai thác. Trong những năm gần đây, một số dự án lớn, đòi hỏi tiến độ thi công nhanh như dự án tuyến Metro Bến Thành – Suối Tiên tại thành phố Hồ Chí Minh [7]. Dự án có chiều dài 19,7km trong đó có 2,6km đi ngầm và 17,1km đi trên cao với đoạn cầu cạn dài 14,5km, trong đó có 12km được thi công bằng công nghệ lắp ghép phân đoạn, mặt cắt ngang dầm hình chữ U, mối nối sử dụng khoá chống cắt kết hợp keo epoxy. Dự án Tân Vũ – Lạch Huyện, thành phố Hải Phòng [6], điểm đầu của dự án Km0 (nút giao Tân Vũ) giao với đường cao tốc Hà Nội - Hải Phòng thuộc địa phận quận Hải An, thành phố Hải Phòng; Điểm cuối Km15+629,94 (cổng cảng Lạch Huyện) thuộc địa phận huyện Cát Hải - Thành phố Hải Phòng, dự án có tổng chiều dài 15,63km, chiều dài phần cầu 4433,7m. Mặt cắt ngang 01 dầm hộp BTCT DƯL f’c = 50Mpa cao 3,2m, rộng 16m). Cầu gồm 2 đơn nguyên, thi công theo công nghệ lắp ghép Span By Span (SBS), cầu nằm trên đường thẳng, mối nối sử dụng khoá chống cắt kết hợp keo epoxy.
4 Hình 2. Hình ảnh thi công dự án Tân Vũ – Lạch Huyện và Metro Bến Thành – Suối Tiên. Trong quá trình khai thác vị trí mối nối sẽ là điểm xuất hiện điều kiện làm việc bất lợi khi mối nối tham gia chịu cắt, xoắn. Nội dung của đề tài tập trung nghiên cứu khả năng chịu cắt và xoắn tại vị trí mối nối nhằm đề ra giải pháp góp phần kiểm soát và hoàn thiện hơn về thiết kế, thi công và dự báo khả năng phá hoại tại vị trí mối nối khi chịu tác động của các tải trọng khai thác. 2. Đối tƣợng nghiên cứu Nghiên cứu kết cấu nhịp cầu thi công theo công nghệ lắp ghép phân đoạn, liên hệ với công tác thiết kế, thi công ở một số dự án thực tiễn đã đang và chuẩn bị triển khai trên thế giới và ở Việt Nam. 3. Phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu khả năng chịu cắt của khóa chống cắt, đánh giá ảnh hưởng của xoắn đến khả năng chịu cắt của mối nối thông qua xét đến tải trọng lệch tâm. 4. Phƣơng pháp nghiên cứu Phương pháp thực nghiệm kết hợp với mô phỏng số. Tiến hành thu thập, nghiên cứu các tài liệu (tiêu chuẩn, sách, bài báo, hồ sơ thiết kế,...) trong và ngoài nước. Tiến hành phân tích, tổng hợp, đánh giá các nội dung đã nghiên cứu đối với khóa chống cắt và ảnh hưởng của xoắn đến mối nối. Thực nghiệm xác định khả năng chịu cắt của khóa chống cắt, phân tích mô phỏng kiểm chứng thí nghiệm. Tiến hành mô phỏng đánh giá ảnh hưởng của
5 xoắn đến khả năng chịu cắt của mối nối. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Kết quả nghiên cứu nhằm chỉ ra các yếu tố cũng như phương pháp xác định khả năng chịu cắt của khóa chống cắt, đánh giá ảnh hưởng của xoắn thông qua mô phỏng số kết cấu chịu tải trọng lệch tâm. Với các khóa chống cắt đã nghiên cứu, tiến hành đề xuất dạng khóa chống cắt phù hợp. Kiến nghị đơn vị thiết kế, thẩm tra đánh giá cũng như quản lý bảo trì khai thác công trình về khả năng chịu tải cũng như dạng phá hoại khóa khi chịu lực cực hạn 6. Kết cấu của luận văn Mở đầu Chƣơng 1. Tổng quan về vấn đề nghiên cứu. Chƣơng 2. Phân tích và đánh giá sức kháng của mối nối có khóa chống cắt trong cầu lắp ghép phân đoạn. Chƣơng 3. Nghiên cứu thực nghiệm và phân tích mô phỏng số đánh giá khả năng chịu cắt của khóa chống cắt. Chƣơng 4. Ảnh hưởng của xoắn đến khả năng chịu cắt của mối nối với khóa chống cắt Kết luận và kiến nghị