Luận án Tiến sĩ: Phân tích đánh giá tính dư trong kết cấu cầu ở Việt Nam

Chia sẻ: Na Na | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:174

Thêm vào BST

Báo xấu

53
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án hướng tới xây dựng quy trình trực tiếp và đơn giản để xác định tính dư cho kết cấu cầu. Hai là xây dựng mô hình phần tử hữu hạn cho phép phân tích phi tuyến sự làm việc của kết cấu cầu ngoài giới hạn đàn hồi, kể cả khi một số bộ phận kết cấu chính đã bị phá hoại để làm cơ sở cho việc áp dụng quy trình trực tiếp để xác định tính dư cho kết cấu cầu.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ: Phân tích đánh giá tính dư trong kết cấu cầu ở Việt Nam

i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu do tôi thực hiện. Các số liệu và kết quả trình bày trong luận án là trung thực, chưa được công bố bởi bất kỳ tác giả nào hay ở bất kỳ công trình nào khác. Hà Nội, tháng 09 năm 2015 Tác giả Nguyễn Viết Huy
ii LỜI CẢM ƠN Luận án Tiến sỹ được thực hiện tại Trường Đại học Giao thông Vận tải dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS Trần Đức Nhiệm và PGS.TS Nguyễn Thị Minh Nghĩa. Nghiên cứu sinh xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới các thầy về định hướng khoa học, liên tục quan tâm sâu sát, tạo điều kiện thuận lợi trong suốt quá trình nghiên cứu, có những lúc nghiên cứu sinh cảm tưởng khó có thể tiếp tục nghiên cứu nhưng nhờ sự động viên, khích lệ của các thầy cộng với sự nỗ lực không ngừng nghỉ của bản thân, đến nay luận án đã được hoàn thành. Nghiên cứu sinh cũng xin được chân thành cảm ơn các nhà khoa học trong và ngoài nước, tác giả của các công trình nghiên cứu đã được nghiên cứu sinh sử dụng trích dẫn trong luận án về nguồn tư liệu quý báu, những kết quả liên quan trong quá trình nghiên cứu hoàn thành luận án. Nghiên cứu sinh trân trọng cảm ơn Ban Giám Hiệu, Phòng Đào tạo Đại học và Sau Đại học, Bộ môn Cầu Hầm, Hội đồng Tiến sỹ Trường Đại học Giao thông Vận tải đã tạo điều kiện để nghiên cứu sinh thực hiện và hoàn thành chương trình nghiên cứu của mình. Nghiên cứu sinh cũng xin trân trọng cảm ơn Bộ Giao thông Vận tải đã đưa vào quy hoạch đào tạo sau đại học giai đoạn 2011-2015, cảm ơn lãnh đạo Ban PPP đã tạo điều kiện cho nghiên cứu sinh vừa công tác vừa học tập, nghiên cứu. Cuối cùng là sự biết ơn đến ba mẹ, vợ và các con vì đã liên tục động viên để duy trì nghị lực, sự hy sinh thầm lặng, sự cảm thông, chia sẻ về thời gian, sức khỏe và các khía cạnh khác của cuộc sống trong cả quá trình thực hiện luận án. Hà Nội, tháng 9/2015 Nguyễn Viết Huy
iii MỤC LỤC MỞ ĐẦU ........................................................................................................ xiv CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ TÍNH DƯ VÀ XÁC ĐỊNH MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU ................................................................................................. 1 1.1 Tổng quan về các công trình cầu ở Việt Nam .......................................... 1 1.1.1 Các dạng kết cấu nhịp cầu bê tông cốt thép và bê tông cốt thép dự ứng lực [2],[5] ................................................................................................................. 1 1.1.2 Các dạng kết cấu nhịp cầu thép [4]........................................................... 4 1.1.3 Các dạng kết cấu mố, trụ [3] .................................................................... 6 1.2 Tổng quan về nghiên cứu tính dư ............................................................. 8 1.2.1 Các phương pháp được sử dụng để tính toán tính dư [29], [32], [48], [49], [50], [52], [57].................................................................................................... 8 1.2.2 Nghiên cứu tính dư trong kết cấu công trình cầu ...................................... 9 1.2.3 Nhận xét................................................................................................. 13 1.2.4 Tính dư trong tiêu chuẩn thiết kế 22TCN 272-05 ................................... 13 1.3 Những vấn đề còn tồn tại trong nghiên cứu tính dư .............................. 14 1.4 Những vấn đề đề tài tập trung nghiên cứu giải quyết ........................... 15 1.5 Kết luận chương 1 ................................................................................... 16 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ PHÂN TÍCH, ĐÁNH GIÁ VÀ ĐỊNH CHUẨN TÍNH DƯ CỦA KẾT CẦU VÀ ĐỀ XUẤT QUY TRÌNH TỔNG QUAN XÁC ĐỊNH TÍNH DƯ ............................................................................................. 17 2.1 Đánh giá tính dư cho kết cấu phần dưới [48]......................................... 17 2.1.1 Xác định kết cấu bên dưới điển hình ...................................................... 17 2.1.2 Các giả thiết về trạng thái làm việc của kết cấu và TTGH tương ứng [27], [48], [56]. ......................................................................................................... 25 2.1.3 Phương pháp phân tích tính dư ............................................................... 28 2.1.4 Tính toán tính dư [75] ............................................................................ 31
iv 2.1.5 Quan hệ giữa hệ số hệ thống s với phương pháp độ tin cậy của tính dư u và tỉ lệ bảo toàn hệ thống Ru ..................................................................... 52 2.1.6 Tỉ lệ bảo toàn hệ thống của hình dạng kết cấu bên dưới định hình ......... 54 2.1.7 Quy trình xác định tính dư cho kết cấu phần dưới [48]........................... 55 2.2 Đánh giá và định chuẩn tính dư của kết cấu phần trên ........................ 62 2.2.1 Mức độ an toàn của kết cấu phần trên .................................................... 63 2.2.2 Các trạng thái giới hạn ........................................................................... 64 2.2.3 Chu kỳ vòng đời và mô hình tải trọng - chỉ số độ tin cậy ....................... 67 2.2.4 Phương pháp độ tin cậy .......................................................................... 69 2.2.5 Xác định chỉ số độ tin cậy mục tiêu ........................................................ 70 2.2.6 Quy trình kiểm tra tính dư trực tiếp ........................................................ 72 2.2.7 Quy trình từng bước xác định hệ số dư................................................... 75 2.2.8 Hệ số hệ thống (tính dư) ......................................................................... 77 2.2.9 Hệ số hệ thống cho cầu điển hình thông dụng ........................................ 79 2.2.10 Xếp hạng tải trọng cho cầu đang tồn tại ................................................ 80 2.3 Kết luận chương 2 ................................................................................... 82 CHƯƠNG 3. MÔ HÌNH PHI TUYẾN XÁC ĐỊNH KHẢ NĂNG LÀM VIỆC CỰC HẠN CỦA KẾT CẤU ................................................................ 84 3.1 Tổng quan ................................................................................................ 84 3.2 Tóm tắt lý thuyết phần tử hữu hạn tích hợp bước nhảy chuyển vị cho phần tử dầm Timoshenko .............................................................................. 88 3.2.1 Lý thuyết dầm Timoshenko và phương pháp phần tử hữu hạn truyền thống ............................................................................................................... 88 3.2.2 Mở rộng phương pháp phần tử hữu cho dầm Timoshenko để xét đến phá hoại uốn và cắt trên dầm [78] ........................................................................... 93 3.3 Mối quan hệ nội lực – biến dạng (mô-men/ độ cong, lực cắt – biến dạng cắt) trong dầm bê tông cốt thép. .................................................................... 98 3.4 Phương pháp chia lớp mặt cắt để xác định trạng thái ứng suất, biến dạng trong dầm ............................................................................................ 101
v 3.5 Xây dựng bảng tính xác định đường cong chịu uốn (đường cong M-к) phụ thuộc vào lực dọc và lực cắt trên dầm ................................................. 109 3.6 Thí nghiệm kiểm chứng mô hình phân tích đề xuất ............................ 112 3.6.1 Cấu tạo của dầm BTCT thí nghiệm ...................................................... 113 3.6.2 Sơ đồ thí nghiệm .................................................................................. 115 3.6.3 Xây dựng mô hình phi tuyến cho dầm thí nghiệm: ............................... 116 3.7 So sánh kết quả mô hình hóa và kết quả thí nghiệm ........................... 123 3.8 Kết luận chương 3 ................................................................................. 129 CHƯƠNG 4. CÁC VÍ DỤ ÁP DỤNG MÔ HÌNH PHI TUYẾN VÀ QUY TRÌNH TRỰC TIẾP .................................................................................... 130 4.1 Trụ 2 cột chịu lực đẩy ngang ................................................................ 130 4.1.1 Phân tích sự làm việc của trụ dưới tác dụng của lực đầy ngang theo mô hình phi tuyến ................................................................................................ 130 4.1.2 Xác định tính dư của kết cấu trụ 2 cột theo quy trình trực tiếp ............. 134 4.2 Trụ 3 cột ................................................................................................. 135 4.2.1 Phân tích sự làm việc của trụ 3 cột chịu lực ngang ............................... 135 4.2.2 Xác định tính dư của kết cấu trụ 3 cột theo quy trình trực tiếp ............. 137 4.3 Dầm liên tục 2 nhịp................................................................................ 138 4.3.1 Phân tích khả năng chịu lực thẳng đứng của dầm liên tục 2 nhịp .......... 138 4.3.2 Xác định tính dư của dầm liên tục hai nhịp theo Quy trình trực tiếp ..... 140 4.4 Kết luận chương 4 ................................................................................. 140 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ...................................................................... 142 DANH MỤC CÁC BÀI BÁO, ĐỀ TÀI CÔNG BỐ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN .................................................................................. 147 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 148 PHỤ LỤC...................................................................................................... 157
vi DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1. Các thông số trung bình của 4 loại kết cấu bên dưới ......................... 19 Bảng 2.2. Các thông số của kết cấu uốn hai cột ................................................ 20 Bảng 2.3. Các thông số của kết cấu uốn bốn cột ............................................... 21 Bảng 2.4. Độ cứng móng - kết cấu uốn hai cột ................................................. 22 Bảng 2.5. Độ cứng móng - kết cấu uốn bốn cột ................................................ 23 Bảng 2.6. Kết quả phân tích lực đẩy phi tuyến kết cấu uốn 2 cột ...................... 31 Bảng 2.7. Các biến số kết cấu của kết cấu uốn hai cột và bốn cột ..................... 32 Bảng 2.8. Các điều kiện địa chất và móng ........................................................ 32 Bảng 2.9. Dữ liệu đầu vào cho phân tích ví dụ cầu hai cột................................ 41 Bảng 2.10. Dữ liệu đầu vào cho phân tích ví dụ cầu bốn cột ............................ 42 Bảng 2.11. Khả năng tải trọng ngang đối với trụ bốn cột và hai cột.................. 44 Bảng 2.12. Giá trị của biến ngẫu nhiên đã sử dụng trong phân tích kết cấu uốn hai cột .............................................................................................................. 45 Bảng 2.13. Kết quả của phân tích đối với kết cấu uốn hai cột ........................... 45 Bảng 2.14. Kết quả của phân tích đối với kết cấu uốn bốn cột .......................... 46 Bảng 2.15. Giá trị trung bình và COV của tải trọng áp dụng như là tác động của 2 xe tải thiết kế đặt cạnh nhau .......................................................................... 68 Bảng 2.16. Tỉ lệ hệ số tải trọng yêu cầu đối với phương pháp tính dư hệ thống trực tiếp ............................................................................................................ 73 Bảng 3.1. Kết quả thí nghiệm cường độ bê tông ............................................. 113 Bảng 3.2. Kết quả thí nghiệm cường độ thép .................................................. 114 Bảng 3.3. Chia lớp phần tử bê tông ................................................................ 116 Bảng 3.4. Chia lớp phần tử thép ..................................................................... 117 Bảng 3.5. Giá trị mô men – độ cong cho phần tử dầm .................................... 122 Bảng 3.6. Thông số đầu vào cho phần tử chịu uốn thuần túy .......................... 123 Bảng 3.7. Thông số đầu vào cho phần tử chịu uốn (có xét đến ảnh hưởng của lực cắt) ................................................................................................................. 124
vii Bảng 4.1. Đặc trưng vật liệu sử dụng trụ 2 cột................................................ 131 Bảng 4.2. Đặc trưng vật liệu sử dụng trụ 3 cột................................................ 136 Bảng 4.3. Đặc trưng vật liệu sử dụng dầm liên tục hai nhịp ............................ 139
viii DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1. Cầu dàn BTCT thường (Cầu Sê Rê Pôk cũ- Đăk Lăk) ........................ 1 Hình 1.2. Cầu Roòn- Quốc lộ 1A - Quảng Bình (1985) ...................................... 2 Hình 1.3. Cầu Pá Uôn - Sơn La (2010) ............................................................... 3 Hình 1.4. Cầu Thanh Trì- Hà Nội (2006)........................................................... 4 Hình 1.5. Cầu Bãi Cháy- Quảng Ninh (2006) ..................................................... 4 Hình 1.6. Cầu Long Biên.................................................................................... 5 Hình 1.7. Cầu Hàm Rồng ................................................................................... 6 Hình 1.8. Trụ Cầu Thăng Long (Hà Nội)............................................................ 7 Hình 1.9. Một số hình dạng điển hình của trụ cầu .............................................. 7 Hình 2.1. Cầu Turnpike sụp đổ ......................................................................... 18 Hình 2.2. Mô hình kết cấu uốn hai cột .............................................................. 29 Hình 2.3. Mặt cắt cột rời rạc ............................................................................. 30 Hình 3.1. Mô hình khung dầm cho kết cấu bê tông cốt thép ............................. 86 Hình 3.2 Phá hoại nén uốn đồng thời................................................................ 86 Hình 3.3. Phá hoại cắt-uốn đồng thời. (xem [91]) ............................................. 87 Hình 3.4. Quan hệ giữa mô-men giới hạn và lực cắt giới hạn cho một số dạng mặt cắt dầm bê tông cốt thép [43]..................................................................... 87 Hình 3.5. Quan hệ chuyển vị -biến dạng của dầm theo lý thuyết của Timoshenko và Euler-Bernoulli (nguồn [92]) ....................................................................... 89 Hình 3.6. Mô hình phần tử dầm chịu tác dụng của ngoài lực ............................ 89 Hình 3.7. Hàm dạng mô tả bước nhảy của góc xoay và chuyển vị thẳng đứng trong phần tử .................................................................................................... 95 Hình 3.8. Hàm Heaviside H x và hàm  x  ....................................................... 95 c Hình 3.9. Quá trình phá hoại dầm bê tông cốt thép ........................................... 99 Hình 3.10. Mô hình chịu uốn của dầm bê tông cốt thép (xem [22], [78]).......... 99 Hình 3.11. Mô hình quan hệ lực cắt – biến dạng cắt trượt (xem [78])............. 100
ix Hình 3.12. Phân lớp dầm và trạng thái ứng suất, biến dạng tại một điểm........ 101 Hình 3.13. Trạng thái ứng suất- biến dạng tại một phân tố trên dâm............... 102 Hình 3.14. Vòng tròn Mohr ứng suất và vòng tròn Mohr biến dạng tại lớp đang xét .................................................................................................................. 102 Hình 3.15. Trạng thái biến dạng của dầm khi chịu cắt và uốn đồng thời ........ 103 Hình 3.16 Biều đồ ứng suất – biến dạng của bê tông theo mô hình vật liệu của Vecchio và Collins ([33], [44]) ....................................................................... 105 Hình 3.17 Biều đồ ứng suất – biến dạng của thép (đàn hồi – dẻo lý tưởng) .... 106 Hình 3.18. Sơ đồ thuật toán xác định trạng thái ứng suất-biến dạng của dầm BTCT ............................................................................................................. 108 Hình 3.19. Mô-đun nhập số liệu đầu vào (kích thước, thông số vật liệu dầm) 110 Hình 3.20. Mô-đun nhập số liệu đầu vào(lực cắt, lực dọc trục) ...................... 110 ....................................................................................................................... 111 Hình 3.21. Kết quả đường cong mô-men/độ cong (M- к) ............................... 111 Hình 3.22. Đường cong M- к của dầm phụ thuộc vào lực dọc trục trong dầm 111 Hình 3.23. Đường cong M- к của dầm phụ thuộc vào lực cắt trong dầm ........ 112 Hình 3.24. Bố trí cốt thép trong dầm thí nghiệm ............................................ 115 Hình 3.25. Công tác chế tạo, gia công dầm thí nghiệm ................................... 115 Hình 3.26 Sơ đồ gia tải dầm (uốn 4 điểm) ...................................................... 116 Hình 3.27. Đường cong quan hệ ứng suất- biến dạng cho bê tông dầm (f’c =36.08MPa) ................................................................................................... 117 Hình 3.28. Đường cong quan hệ ứng suất- biến dạng cho cốt thép (fy = 523.67MPa).................................................................................................... 118 Hình 3.29 (a) Biểu đồ biến dạng trên dầm ...................................................... 119 Hình 3.29 (b) Biểu đồ ứng suất trên dầm tại trạnig thai mô-men nứt .............. 119 Hình 3.30 (a) Biểu đồ biến dạng trên dầm khi ứng suất ở vùng cốt thép chịu kéo đạt đến giới hạn chảy........................................................................................... i Hình 3.30 (b) Biểu đồ ứng suất trên mặt cắt ngang dầm khi ứng suất ở vùng cốt thép chịu kéo đạt đến giới hạn chảy................................................................ 120
x Hình 3.31 (a) Biến dạng trong bê tông khi ứng suất ở vùng nén bê tông đạt đến giới hạn nén.................................................................................................... 121 Hình 3.31 (b) Ứng suất trong bê tông khi ứng xuất ở vùng nén bê tông đạt đến giới hạn .......................................................................................................... 121 Hình 3.32. Quan hệ mô-men độ cong của phần tử dầm ứng với các giá trị lực cắt khác nhau ....................................................................................................... 122 Hình 3.33. Mô-men giới hạn của dầm giảm xuống khi lực cắt tăng ................ 123 Hình 3.34. Đánh số phần tử và đánh số nút cho mô hình dầm. ....................... 124 Hình 3.35. Biểu đồ phân phối mô-men và lực cắt trên dầm tại thời điểm chuyển vị cưỡng bức bằng 5cm (mô hình thứ nhất) .................................................... 125 Hình 3.36. Biểu đồ độ võng và góc xoay trên dầm ở thời điểm chuyển vị cưỡng bức bằng 5cm tại vị trí đặt lực (mô hình thứ nhất) ......................................... 125 Hình 3.37. Biểu đồ phân phối mô-men và lực cắt trên dầm tại thời điểm chuyển vị cưỡng bức bằng 5cm tại vị trí đặt lực (mô hình thứ 2) ................................ 126 Hình 3.38. Biểu đồ độ võng và góc xoay trên dầm ở thời điểm chuyển vị cưỡng bức bằng 5cm (mô hình thứ hai)..................................................................... 126 Hình 3.39. Biểu đồ lực/độ võng của dầm theo kết quả mô hình hóa ............... 127 Hình 3.40 Kết quả nén dầm trong phòng thí nghiệm ...................................... 127 Hình 3.41.Kết quả từ mô hình phân tích (phóng đại 1000 lần) ....................... 128 Hình 3.42 So sánh kết quả mô hình hóa với đường cong lực /độ võng của dầm ....................................................................................................................... 128 Hình 4.1. Trụ khung 2 cột .............................................................................. 131 Hình 4.2. Quan hệ mô men – độ cong cho cột và dầm ngang ......................... 132 Hình 4.3. Quan hệ lực cắt – biến dạng cắt cho cột .......................................... 132 Hình 4.4. Quan hệ lực ngang và chuyển vị ngang tại xà mũ ........................... 133 Hình 4.5. Chuyển vị của trụ cột dưới tác dụng tại thời điểm chuyển vị ngang bằng 160mm................................................................................................... 133 Hình 4.6. Trụ khung 3 cột .............................................................................. 135 Hình 4.7. Quan hệ lực - chuyển vị ngang của trụ khung 3 cột......................... 136
xi Hình 4.8. Biến dạng của trụ ứng với chuyển vị ngang ở xà mũ bằng 160mm . 137 Hình 4.9. Dầm liên tục 2 nhịp chịu tải trọng thẳng đứng ................................ 138 Hình 4.10. Cấu tạo mặt cắt ngang dầm ........................................................... 138 Hình 4.11. Quan hệ lực và độ võng tại giữa nhịp 2 khi tăng tải ...................... 139 Hình 4.12. Dầm ở trạng thái phá hoại trong TTGH cường độ ......................... 139
xii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU AASHTO American Association of State Highway and Transportation Officials TTGH Trạng thái giới hạn PTHH Phần tử hữu hạn Φs Hệ số hệ thống quan hệ với sự an toàn, tính dư và tính dẻo của hệ thống kết cấu  Hệ số sức kháng thành phần R’ Khả năng sức kháng danh định yêu cầu của thành phần tính đến tính dư của hệ thống γd Hệ số tải trọng tĩnh Dn Tải trọng tĩnh danh định L Hệ số tải trọng động xe cộ w Hệ số tải trọng ngang member Chỉ số độ tin cậy thành phần sysem Chỉ số độ tin cậy hệ thống ult Chỉ số độ tin cậy của hệ thống kết cấu cho TTGH cuối cùng funct Chỉ số độ tin cậy hệ thống cho TTGH hoạt động damaged Độ tin cậy hệ thống cho điều kiện phá hoại r1  Tỉ lệ bảo toàn thành phần Ru Tỉ lệ bảo toàn hệ thống cho TTGH cuối cùng Rf Tỉ lệ bảo toàn hệ thống cho TTGH hoạt động Rd Tỉ lệ bảo toàn hệ thống cho điều kiện phá hoại  Hệ số điều chỉnh tải trọng; hệ số liên quan đến tính dẻo, tính dư và tầm quan trọng trong khai thác D Hệ số liên quan đến tính dẻo  R Hệ số liên quan đến tính dư
xiii I Hệ số liên quan đến tầm quan trọng trong khai thác Qn Tác động tổng cộng của trọng lực Ln Tổng của tác động của hoạt tải danh định LW Giá trị trung bình của hệ số tải trọng ngang Wmax Giá trị trung bình của tải trọng ngang lớn nhất Wn Giá trị thiết kế danh định của tải trọng tác dụng LFu  Giá trị trung bình của hệ số tải trọng tương ứng với TTGH cuối cùng LFu Sức kháng thành phần R Độ lớn của tải trọng đứng tác dụng LFf Giá trị trung bình của hệ số tải trọng tương ứng với TTGH hoạt động  ru  Tỉ lệ tính dư cho TTGH cuối cùng rf  Tỉ lệ tính dư cho TTGH hoạt động rd  Tỉ lệ tính dư cho TTGH phá hoại Rfinal Sức kháng cuối cùng Rexist Khả năng thành phần đang tồn tại Psd TTGH về mặt sử dụng Pcd TTGH cường độ
xiv MỞ ĐẦU Luận án này nghiên cứu và phát triển phương pháp để tính toán tính dư trong quá trình thiết kế và đánh giá độ an toàn của kết cấu cầu. Lý do để chọn đề tài Ngày nay, cùng với sự phát triển kinh tế - xã hội toàn cầu, số lượng công trình hạ tầng kỹ thuật đặc biệt là các công trình cầu đường bộ được xây dựng ngày càng tăng nhằm đáp ứng nhu cầu giao thông vận tải phục vụ phát triển kinh tế - xã hội của các nước trên thế giới và của Việt Nam. Ở nước ta, với hơn 3000km bờ biển cùng hệ thống sông ngòi chằng chịt tại đồng bằng Sông Hồng và đồng bằng Sông Cửu Long cùng với đa số các sông suối ở Miền Trung đều chảy dọc theo hướng Tây Bắc - Đông Nam đổ ra biển đã chia cắt mạng lưới đường bộ Bắc Nam cũng như hệ thống mạng lưới đường bộ liên tỉnh điều này dẫn đến nhu cầu xây dựng cầu vượt sông suối ở nước ta rất lớn, hàng năm có hàng chục cây cầu được xây dựng trên phạm vi toàn lãnh thổ Việt Nam. Phần lớn các cây cầu này có kết cấu phần dưới bằng bê tông cốt thép và kết cấu phần trên là dạng dầm bê-tông cốt thép hoặc bê tông cốt thép dự ứng lực nhịp giản đơn hoặc liên tục. Tuy nhiên, đi kèm với việc ngày càng có nhiều cầu được xây dựng mới thì việc đánh giá tính dư của các bộ phận kết cấu cầu là một chỉ tiêu quan trọng ảnh hưởng đến độ an toàn cũng như tính kinh tế khi xây dựng cầu. Hiện nay, tiêu chuẩn ngành về thiết kế cầu 22TCN-272-05 mới chỉ đề nghị áp dụng hệ số liên quan đến tính dư trong các TTGH chưa đưa ra được cơ sở khoa học cũng như phương pháp tính dư trong kết cấu cầu. Tính dư là khả năng của một hệ thống chịu sự phá hoại mà không sập đổ. Sập đổ theo định nghĩa của AASHTO-LRFD [9],[10] sự là thay đổi hình học lớn, làm cầu làm mất đi khả năng làm việc của nó. Tính dư được phân thành 3 loại chính theo các định nghĩa dưới đây:
xv - Tính dư nội bộ: một thành phần bị phá hoại sẽ không dẫn đến sự phá hoại của các thành phần khác. Ví dụ, một thành phần của kết cấu bị phá hoại sẽ không dẫn đến các thành phần khác bị phá hoại. - Tính dư kết cấu: tính dư tồn tại như là kết quả của sự liên tục trong đường truyền tải. Kết cấu siêu tĩnh như dầm liên tục và khung cứng thuộc loại này. - Tính dư đường truyền tải: được định nghĩa bởi AASHTO-LRFD [9],[10],[32],[40], là số các thành phần hỗ trợ. Một kết cấu là không dư khi chỉ có một đường truyền tải hoặc hai đường truyền tải nhưng độc lập với nhau. Ví dụ, một kết cấu nhịp cầu bao gồm một hoặc hai dầm song song được xem như là không dư. Một dầm bị phá hoại với một hoặc hai đường truyền tải sẽ dẫn đến sự sụp đổ của nhịp. Khi đó, cầu được xem như không dư. Tổng hợp các dạng tính dư nêu trên, tính dư có thể được hiểu là khả năng chịu lực còn lại của kết cấu cầu sau khi một thành phần chịu tải chính bị phá hoại. Tính dư phụ thuộc vào ứng xử tổng thế của toàn bộ kết cấu khi chịu lực. Để tính toán tính dư một công trình cầu, cần xem xét ứng xử của toàn bộ hệ thống và tương tác giữa các bộ phân của kết cấu như: nhịp, mố, trụ và móng. Sự tương tác này rất phức tạp với nhiều hệ số ảnh hưởng đến toàn bộ phản ứng của toàn hệ thống. Các nghiên cứu trên thế giới hiện tại cũng tiến hành phân chia hệ thống thành các hệ thống thành phần (kết cấu nhịp-kết cấu mố, trụ-địa chất/móng,..) để nghiên cứu riêng. Với từng dạng kết cấu này, một số nhà nghiên cứu đã đưa ra quy trình nhiều bước để xác định tính dư cho kết cầu [11], [48], [49], [53], [57], [61], [66], [70]. Tuy nhiên, các quy trình này còn phức tạp và khó áp dụng, đặc biệt là với các kĩ sư thiết kế. Trong tiêu chuẩn thiết kế cầu của Việt Nam [1], tính dư được thể hiện thông qua hệ số dư (ɳr) là một tham số thiết kế đầu vào quan trọng, có thể làm thay đổi kích thước và quy mô của thiết kế do làm tăng, hoặc giảm hiệu ứng tải
xvi trọng tác dụng lên công trình trong công thức kiểm toán. Tuy nhiên, chưa có một nghiên cứu nào chỉ ra cách xác định hệ số này, hoặc đưa ra một chỉ dẫn đơn giản để giúp các kĩ sư thiết kế có thể lựa chọn hệ số tính dư cho phù hợp với từng loại, bộ phân và dạng kết cấu công trình. Từ tầm quan trọng của vấn đề, số lượng nghiên cứu hạn chế ở Việt Nam và tính cấp thiết của nội dung nghiên cứu, Nghiên cứu sinh chọn đề tài “Nghiên cứu đánh giá tính dư trong kết cấu cầu ở Việt Nam”. Mục đích nghiên cứu Mục đích nghiên cứu của đề tài luận án là đề xuất một quy trình đơn giản và trực tiếp để xác định tính dư của kết cấu để áp dụng trong quá trình thiết kế và đánh giá kết cấu công trình cầu, làm cơ sở cho việc xây dựng được hệ thống bảng tra để giúp cho các kĩ sư thiết kế dễ dàng xác định hệ số tính dư cho từng loại kết cấu. Phương pháp nghiên cứu Đề tài luận án sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với kiểm chứng bằng thực nghiệm. Theo đó, trước hết đề tài tổng hợp những kết quả nghiên cứu về tính dư cho kết cấu cầu trên thế giới và tại Việt Nam. Từ đó xác định những điểm cần cải tiến trong quy trình và phương pháp đánh giá tính dư để có thể xác định được hệ số tính dư chính xác và đơn giản hơn. Trên cơ sở đó, luận án đề xuất mô hình lý thuyết cho phép xác định chính xác hơn tính dư của kết cấu cầu. Kết quả phân tích lý thuyết được kiểm chứng lại bằng một số kết quả thí nghiệm. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài luận án Bằng việc nghiên cứu, ứng dụng lý thuyết phân tích phi tuyến vật liệu và phương pháp PTHH mở rộng, luận án đã đề xuất quy trình xác định tính dư trực tiếp đơn giản hơn so với quy trình của các tác giả trước đó để áp dụng trong thiết kế cầu. Đồng thời đề xuất mô hình phân tích phi tuyến bằng phương pháp PTHH
xvii mở rộng, cho phép xét đến sự làm việc của kết cấu sau khi những bộ phận chính đầu tiên bị phá hoại. Luận án đưa ra các dạng kết cấu điển hình trong công trình cầu để xác định tính dư, giúp thiết lập bảng tra về hệ số tính dư cho các kết cấu này để tiện áp dụng trong thực tế. Qua đó, phát triển một cơ sở hợp lý cho việc xem xét tính dư kết cấu nhịp và phần dưới trong thiết kế và đánh giá kết cấu cầu, và phát triển dữ liệu cần thiết để bổ sung vào tiêu chuẩn thiết kế cầu 22TCN-272-05. Bố cục của luận án Để đạt mục tiêu đề ra, luận án giải quyết 03 vấn đề chính: (1) Tổng quan về tình hình nghiên cứu tính dư, xác định mục tiêu nghiên cứu tính dư (2) Đánh giá và định chuẩn tính dư của kết cấu công trình cầu trên cơ sở lý thuyết độ tin cậy (3) Tính toán, đánh giá tính dư kết cấu trụ cầu. Luận án được cấu thành các nội dung như sau: Phần mở đầu: Giới thiệu về các lý do chọn lựa đề tài, mục đích nghiên cứu, phương pháp nghiên cứu, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của ðề tài luận án và bố cục luận án. Chương 1. Tổng quan về tính dư và xác định mục tiêu nghiên cứu Chương 2. Cơ sở phân tích, đánh giá và định chuẩn tính dư của kết cấu và đề xuất quy trình tổng quan xác định tính dư Chương 3. Đề xuất mô hình tính toán tính dư của kết cấu dựa trên phân tích phi tuyến vật liệu và phương pháp phần tử hữu hạn mở rộng Chương 4. Các ví dụ áp dụng mô hình phi tuyến và quy trình trực tiếp Kết luận và kiến nghị
1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ TÍNH DƯ VÀ XÁC ĐỊNH MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU 1.1 Tổng quan về các công trình cầu ở Việt Nam Các công trình cầu bê tông cốt thép, bê tông cốt thép dự ứng lực và cầu thép đã và đang được xây dựng ngày càng nhiều, theo các giai đoạn lịch sử khác nhau. 1.1.1 Các dạng kết cấu nhịp cầu bê tông cốt thép và bê tông cốt thép dự ứng lực [2],[5] Trước năm 1954, đã có nhiều cầu thuộc hệ thống nhịp bản, dầm giản đơn, dầm hẫng, vòm bê tông cốt thép thường với nhịp 2 đến 20m được xây dựng trên các tuyến đường sắt và đường bộ. Ví dụ chỉ trên tuyến đường sắt Hà Nội - TP. Hồ Chí Minh có khoảng hơn 600 cầu bê tông cốt thép nhịp từ 8 đến 11m xây dựng từ 1927 - 1932, đến nay vẫn còn tận dụng được sau khi gia cố sửa chữa nhiều đợt. Trên các tuyến đường ô tô ở Nam bộ còn nhiều cầu dầm hẫng, cầu vòm chạy dưới thuộc loại này đang được khai thác, ở miền Bắc hầu hết cầu bê tông cốt thép do Pháp xây dựng đã bị phá hoại do bom Mỹ. Hình 1.1. Cầu dàn BTCT thường (Cầu Sê Rê Pôk cũ- Đăk Lăk) Trong thời kỳ 1954-1975, nước ta bị chia làm hai miền và sự phát triển cầu bê tông cốt thép cũng đi theo hai hướng khác nhau. Ở miền Bắc ngay sau năm 1954 nhiều cầu bê tông cốt thép thường thuộc hệ bản, dầm giản đơn, dầm hẫng đúc bê tông tại chỗ đã được xây dựng. Các đề tài ứng dụng bê tông cốt thép dự ứng lực trong xây dựng cầu lần đầu tiên đã do Đại học Giao thông tiến
2 hành năm 1961: Một số cầu giản đơn bê tông cốt thép dự ứng lực đã được xây dựng như cầu Phủ lỗ, cầu Cửa tiền, cầu Tràng Thưa, cầu Bía (cầu dầm hẫng có chốt giữa) theo đồ án của Việt Nam. Các đồ án điển hình về cầu bản mố nhẹ, dầm giản đơn lắp ghép mặt cắt chữ T có dầm ngang hoặc không có dầm ngang với nhịp 3 - 4 - 6 - 9 - 12 - 15 - 21 m đã được Viện Thiết kế Giao thông thiết kế được áp dụng rộng rãi trên các tuyến đường ô tô. Trong quá trình 10 năm xây dựng cầu Thăng Long, một hệ thống cầu dẫn gồm khoảng 4 km cầu đường sắt và 2 km cầu ô tô bằng các dầm bê tông cốt thépdự ứng lực kéo trước hoặc kéo sau đã được xây dựng với công nghệ Liên Xô (cũ). Qua đó ngành công nghiệp xây dựng cầu bê tông cốt thép dự ứng lực ở nước ta đã tiến một bước mới. Tại miền Nam một số loại đồ án định hình cầu bê tông cốt thép dự ứng lực theo tiêu chuẩn Mỹ AASHTO [9], [10] đã được sản xuất và lắp ghép rộng rãi trên các tuyến đường bộ trục chính khẩu độ nhịp dầm xấp xỉ là 12 - 18 - 25m. Kết cấu dầm BTCT dự ứng lực kéo trước với loại cáp xoắn 7 sợi, d = 12,7mm,.. Các dầm T được lắp ghép theo phương ngang cầu bằng cáp thép dự ứng lực kéo sau cùng loại nói trên. Dạng kết cấu này được lắp ghép nguyên dài bằng các cần cẩu cỡ 40 - 60 tấn, bánh xích. Thời kỳ 1975-1992, tại miền Bắc đã có các trung tâm chế tạo các dầm dự ứng lực nhịp đến 33 m tại Hà Nội, TP. Vinh. Tại miền Nam việc sản xuất dầm dự ứng lực vẫn theo mẫu AASHO cũ của Mỹ tại xưởng dầm Châu Thới gần TP. Hồ Chí Minh. Hình 1.2. Cầu Roòn- Quốc lộ 1A - Quảng Bình (1985)
3 Một số cầu khung T-dầm đeo thuộc hệ tĩnh định có nhịp dài xấp xỉ 60 - 70m (cầu Rào, cầu Niệm, cầu An Dương, v.v...) với cốt thép dự ứng lực dạng bó 24 sợi  5mm đã được xây dựng. Bắt đầu từ năm 1992 nhiều công nghệ tiên tiến của thế giới đang được chuyển giao vào nước ta. Đối với những kết cấu nhịp giản đơn dự ứng lực (kéo trước và kéo sau), công nghệ dầm I, T và Super-T được phát triển rộng rãi với các khẩu độ phổ biến từ 20-42m, số lượng dầm chủ phụ thuộc vào bề rộng cầu đã được áp dụng rất nhiều cho đến hiện nay. Bên cạnh đó, công nghệ đúc hẫng hiện đại đã áp dụng thành công ở nhiều dự án lớn như Dự án cải tạo Quốc lộ 1, các dự án cầu Phú Lương (hệ dầm liên tục), cầu Gianh, cầu Pá Uôn v.v,.. Đến cuối năm 2006 đã có khoảng 60 cầu thuộc hệ thống nhịp liên tục được đúc hẫng thành công. Hình 1.3. Cầu Pá Uôn - Sơn La (2010) Công nghệ đúc đẩy cũng đã được áp dụng thi công các cầu Mẹt (Bắc Giang), Hiền-Lương., Quán-hầu, Sảo-Phong, Hà-Nha. Công nghệ đúc trên đà giáo di đông đã được áp dụng cho phần cầu dẫn của các cầu Thanh-trì (Hà nội), cầu Bãi Cháy (Quảng Ninh).