Đề tài Cơ chế chịu lực của cầu vòm ống thép nhồi bê tông

ÑAÏÏI HOÏÏC QUOÁÁC GIA THAØØNH PHOÁÁ HOÀÀ CHÍ MINH TRÖÔØØNG ÑAÏÏI HOÏÏC BAÙÙCH KHOA -------oOo------- CƠ CHẾ CHỊU LỰC CỦA CẦU VÒM ỐNG THÉP NHỒI BÊTÔNG THỰC HIỆN : NGUYỄN THẾ LÂM ĐỀ TÀI CẦU, TUYNEN VÀ CÁC CÔNG TRÌNH KHÁC TRÊN ĐƯỜNG ÔTÔ VÀ ĐƯỜNG SẮT CHUYÊN NGÀNH Luận văn gồm 5 chương Chương I Tổng quan về kết cấu ống thép nhồi bêtông và cầu vòm ống thép nhồi bêtông Chương II Đặc điểm kết cấu ống thép nhồi bêtông và cầu vòm ống thép nhồi bêtông Chương III Cơ chế chịu lực của kết cấu ống thép nhồi bêtông Chương IV Ứng dụng thiết kế cầu vòm ống thép nhồi bêtông Chương V Kết luận TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU ỐNG THÉP NHỒI BÊTÔNG VÀ CẦU VÒM ỐNG THÉP NHỒI BÊTÔNG CHƯƠNG 1 1.1 CẤU TẠO KẾT CẤU ỐNG THÉP NHỒI BÊTÔNG (CFT) u Là kết cấu mà người ta nhồi bêtông vào ống thép mỏng (hình) 1.2 ỨNG DỤNG KẾT CẤU ỐNG THÉP NHỒI BÊTÔNG VÀO XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH 1.2.1 Ở các nước trên thế giới u Vào năm 1931, công nghệ ống nhồi bê tông đã được xây dựng Pháp, Liên Xô. u Từ năm 1990 đến năm 1992, tiêu chuẩn kỹ thuật (CECS28-90, DLGJ99-91 và DLGJ-SII-92) được ban hành ở Trung Quốc. u Một số cầu được xây dựng tại Trung Quốc: cầu Beichuang, cầu Yajisha, cầu Beipanjiang, cầu Lupu, cầu Wanxian,… (hình) u Kết cấu này còn được sử dụng trong các toà nhà, cao ốc (hình) 1.2.2 Tại Việt Nam u Ứng dụng kết cấu này một vài năm gần đây tại TPHCM (hình) u Hiện tại quy trình thiết kế và thi công chưa có. Lõi bêtông Vỏ thép Mặt cắt ngang tiết diện ống thép nhồi bêtông Cầu Beipanjiang, Trung QuốcCầu Yajisha, Quảng Đông, Trung Quốc Cầu Wuhan thứ 3, bắc qua sông Hanjiang, Trung Quốc Cầu Lupu, Thượng Hải, Trung Quốc Cầu Lupu, Thượng Hải, Trung Quốc Cầu Wanxian, Trung Quốc Cầu Beichuan, Trung Quốc Toà nhà Sannomiya Intes, Nhật Bản Toà nhà Sannomiya Grand Building, Nhật Bản Ống thép nhồi bêtông trong tiết diện tròn Ống thép nhồi bêtông trong tiết diện chữ nhật Cầu Ông Lớn, Thành phố Hồ Chí Minh, Việt Nam Cầu Ông Lớn, Thành phố Hồ Chí Minh, Việt Nam ĐẶC ĐIỂM KẾT CẤU ỐNG THÉP NHỒI BÊTÔNG VÀ CẦU VÒM ỐNG THÉP NHỒI BÊTÔNG CHƯƠNG 2 2.1 ĐẶC ĐIỂM KẾT CẤU ỐNG THÉP NHỒI BÊTÔNG - Trong quá trình ninh kết, bêtông trong ống trương nở thể tích. - Độ bền của lõi bê tông tăng khoảng 2 lần. - Sau 2-3 ngày tuổi thì không xuất hiện thêm vết nứt. - Không cần copfa trong thi công. - Kết cấu ống thép nhồi bê tông có tính chịu mỏi, chịu va đập tốt. - Không có cốt thép dọc và cốt thép đai. - Tăng khả năng chống biến dạng của ống thép do có sự liên kết với lõi bêtông. - Độ bền ăn mòn và chống gỉ của mặt trong ống thép cao hơn. - Khả năng chịu nhiệt độ tốt hơn. - Tăng độ cứng chống xoắn. 2.2 CẤU TẠO CHI TIẾT CẦU VÒM ỐNG THÉP NHỒI BÊTÔNG 2.2.1 Khái quát về cầu vòm u Là kết cấu cầu có nhịp dạng vòm, cuối đường vòm là mố (trụ). u Làm việc theo nguyên tắc truyền tải trọng của bản thân và hoạt tải thành lực ngang và lực thẳng đứng xuống mố (trụ) cầu. u Phân loại (hình) • Cầu vòm thường • Cầu vòm 2 khớp • Cầu vòm 3 khớp • Cầu vòm dạng vì kèo 2.2 CẤU TẠO CHI TIẾT CẦU VÒM ỐNG THÉP NHỒI BÊTÔNG 2.2.2 Cầu vòm ống thép nhồi bêtông u Kết cấu chịu lực chính là sườn vòm sử dụng kết cấu ống thép nhồi bêtông u Sườn vòm:Có cấu tạo từ một ống thép hay nhiều ống thép tiết diện tròn hoặc chữ nhật liên kết nhau (hình) u Hệ giằng nối các sườn vòm giúp ổn định theo phương ngang (hình) u Hệ thanh buộc : Là các bó cáp nối liền 2 chân vòm cể chịu lực đẩy ngang của vòm. u Thanh treo : Là những bó cáp dự ứng lực, , ầu trên được neo vào sườn vòm và ầu dưới neo vào dầm ngang u Dầm ngang :Làm bằng bêtông cốt thép dự ứng lực có chiều dài nhịp phụ thuộc bề rộng mặt cầu. Dầm ngang được bố trí tại vị trí các cáp treo. u Dầm dọc có chiều dài phụ thuộc vào khoảng cách giữa các dầm ngang. Dầm dọc được kê 2 ầu lên dầm ngang. (hình) 2.3 CÔNG NGHỆ THI CÔNG 2.3.1. Công tác chuẩn bị 2.3.2. Công nghệ nhồi bêtông vào ống thép u Không tạo mạch dừng thi công ở lõi bêtông. u Tạo cân bằng áp lực bên trong ống thép và áp suất không khí bên ngoài. u Duy trì việc gia tải đối xứng trong quá trình bơm. u Đo đạt biến dạng của cánh vòm trong suốt quá trình bơm để qua ró hiệu chỉnh áp lực bơm và phòng ngừa sự cố. u Các phương pháp : • Phương pháp rung sâu. • Rung bên ngoài. • Sử dụng bêtông tự . ầm 2.3 CÔNG NGHỆ THI CÔNG 2.3.3 Bêtông tự . ầm u Khái niệm • Là bêtông có khả năng chảy và hầm lèn chỉ bằng trọng lượng bản thân, không cần ngoại lực tác động. u Đặc điểm • Khả năng tự ầm cao có thể tự chảy vào các khe nhỏ. • Hàm lượng nước và ximăng thấp do sử dụng phụ gia gốc polymer. • Chất lượng không phụ thuộc vào công tác đầm nén. • Độ rỗng của bêtông rất nhỏ, tính chống thấm cao. • Thời gian thi công bêtông dài,thời gian hình thành cường độ ngắn. • Khả năng chống phân tầng cao, cho phép tháo ván khuôn sớm. u Tính lưu biến • Độ sụt không mang ý nghĩa do bê tông này có . ộ chảy rất cao • Có nhiều phương pháp xác định tính lưu biến (độ chảy) (hình) 2.3 CÔNG NGHỆ THI CÔNG 2.3.5. Phương pháp xây lắp sườn vòm: u Dùng xe lao để lao lắp vòm • Áp dụng đối với những vòm có khẩu độ vượt nhịp nhỏ hơn 40m. • Xe lao lần lượt đưa sườn vòm vào vị trí rể lắp vòm. • Hệ giằng gió được lắp bằng cẩu. u Dùng cẩu lao lắp vòm (hình) • Áp dụng đối với những vòm có khẩu độ vượt nhịp lớn, • Lắp nguyên cả sườn vòm hoặc chia vòm thành nhiều cung nhỏ. • Lắp đặt giàn trụ hỡ hể hỡmột đầu của cung vòm khi lao lắp. u Sử dụng xe trượt (hình) • Áp dụng với những vòm có khẩu độ rất lớn, đường tên vòm rất cao và trọng lượng vòm nặng. • Bản thân vòm thép trong quá trình thi công không thể chịu được tải trọng do đó người ta sẽ dựng các cột, neo giữ các đốt thép 2.3 CÔNG NGHỆ THI CÔNG 2.3.6 Trình tự các bước thi công cơ bản u Lắp dựng lần lượt từng cánh vòm. u Lắp dựng hệ giằng ngang. u Đúc dầm ngang đầu vòm. u Luồn cáp dọc qua sông. u Bơm nhồi bê tông vào ống thép. u Treo dầm ngang giữa. u Rải dầm dọc. u Đổ bêtông mặt cầu, lan can, thảm bêtông nhưạ mặt cầu. u Sơn vòm. u Thử tải cầu. u Sau mỗi công tác gây ra thay đổi lớn nội lực trong vòm đều tiến hành công tác căng chỉnh thanh giằng. Cầu vòm thường Cầu vòm 2 khớp Cầu vòm 3 khớp Cầu vòm dạng vì kèo Sườn vòm Tổ hợp 2 ống đơn Tổ hợp 3 ống đơn Tổ hợp 4 ống đơn Tổ hợp 2 ống đơn tiết diện chữ nhật Hệ thanh giằng cầu Ông Lớn Trụ đỡ sườn vòm Cẩu lắp sườn vòm Cẩu lắp sườn vòm Thi công cầu vòm ống thép nhồi bêtông bằng xe trượt Thi công cầu vòm ống thép nhồi bêtông bằng xe trượt Hợp long vòm thi công phần mặt cầu Côn Abrams Thiết bị chữ U Thiết bị chữ L Phễu V thanh caêng lan can thanh treo lan can daàm doïc daàm ngang daàm baûn maët caàu BTN maët caàu Lôùp BTCT taêng cöôøng Cấu tạo chi tiết các bộ phận cầu vòm CƠ CHẾ CHỊU LỰC CỦA KẾT CẤU ỐNG THÉP NHỒI BÊTÔNG CHƯƠNG 3 3.1 KHẢ NĂNG CHỊU NÉN CỦA BÊTÔNG TRONG ỐNG THÉP NHỒI BÊTÔNG 3.1.1. Cơ cấu phá hủy trong bêtông u Bêtông gồm cốt liệu và ximăng, khi chịu tải trọng , bêtông thể hiện mối quan hệ ứng suất – biến dạng phi tuyến. u Ban đầu khi tải trọng đạt tới một giá trị giới hạn làm xuất hiện các vết nứt tại các vị trí dính bám quanh cốt liệu. Khi ứng suất đạt mức từ 80 – 90% giới hạn lớn nhất, các vết nứt bắt đầu xuất hiện trong vữa ximăng, nối lại với nhau tạo thành vết nứt dài. u Bêtông trong kết cấu ống thép nhồi bêtông ở trạng thái nén 3 trục. Do đó, các vết nứt đã bị cản trở dưới tác dụng ứng suất kiềm chế, chính điều này là tăng khả năng chịu tải của bêtông. u Trường hợp nén một trục, hiện tượng phá hoại là tổ hợp của cắt và kéo đứt. Trong các thí nghiệm nén 3 trục thì dạng phá hoại là một kiểu phá hoại cục bộ do cắt. 3.2 KHẢ NĂNG CHỊU LỰC CỦA ỐNG THÉP 3.2.1 Đặc tính cơ học của thép 3.2.2 Trạng thái ứng suất của thép u Thép là vật liệu đồng nhất và hẳng hướng nên có thể coi là trong mọi hướng thì ứng suất chính có thể được tính toán trong phạm vi đàn hồi. u Khi cấu kiện ống thép nhồi bêtông chịu tải trọng, lõi bêtông bị nở bên hông gây ra trong ống thép một ứng suất vòng. u Như vậy khi kết cấu chịu tải trọng thì ngoài ứng suất do ngoại lực gây ra trong ống thép còn ứng suất phụ do sự tương tác giữa lõi bêtông và vỏ thép. 3.3 CƠ CHẾ TRUYỀN LỰC GIỮA BÊTÔNG VÀ VỎ THÉP 3.3.1. Sự dính bám u Dính bám được tạo ra bởi lực dính hóa học giữa thép và bêtông. u Kenedy (1984) cho rằng ảnh hưởng của nó tới sự truyền ứng suất cắt trong ống thép nhồi bêtông có thể được bỏ vì ứng suất dính bám sẽ mất đi khi xảy ra trượt giữa mặt tiếp xúc hai vật liệu chưa đến 0,01mm. u Khi chịu tải trọng, dù có ứng suất tại mặt tiếp xúc, sự dính bám cũng không được xét đến do khi đã mất đi sự dính bám hoá học ban đầu thì không thể phục hồi được bằng tác dụng cơ học. 3.3.2. Liên kết cài lẫn vào nhau trên mặt phân cách u Sự cài xen lẫn nhau ởmặt phân cách liên quan tới độ xù xì bềmặt của ống thép. u Cơ cấu xen cài sẽ chỉ có ý nghĩa khi hai bề mặt được ép chặt vào nhau. Xét ở phạm vi vĩ mô, sự xen cài được tạo ra chính là do các neo đặt trong lòng ống thép tạo ra. 3.3 CƠ CHẾ TRUYỀN LỰC GIỮA BÊTÔNG VÀ VỎ THÉP 3.3.3. Ma sát u Sức kháng cắt do ma sát phụ thuộc vào lực pháp tuyến tác động trên mặt phân cách và hệ số ma sát. Hệ số ma sát giữa thép và bêtông lấy trong khoảng từ 0 đến 0,6 u Baltay và Gjelsvik (1990) đưa ra hệ sốma sát trung bình 0,47. u Olosson và Holmgren(1992) tại viện nghiên cứu quốc gia Thụy Điển đưa ra giá trị trung bình của hệ số ma sát là 0,6. u Các ứng suất pháp được gây nên bởi các lực pháp tuyến tác động từ bên ngoài hoặc do sự kiềm chế bị i ộng của lõi bêtông. 3.3.4. Neo liên kết giữa ống thép và bêtông u Với những cột có tiết diện lớn hoặc những vị trí có lực cắt lớn, để , ảm bảo sự làm việc đồng thời của lõi bêtông và ống thép, cần kiểm tra sự liên kết giữa lõi bêtông và ống thép.(công thức) u Trường hợp thỏa có thể tăng khả năng liên kết giữa ống thép và bêtông bằng cách tăng cường neo bên trong ống thép. (hình) a1 3s = fco cofs =3 1a = 45 - /2j1 o o 2j45 - /2a =2 3s = fco cofs =3 2a lats =1 ss1s = lat 1a < < a3 lats =1 s s1s = lat a3 3s = fco cofs =3 3a = 45 - /2j3 o =45 -0=45o o s t >= 3ss21s ftan-c= st j c c f fj 2 1j =03 t s=f( ) phaù hoaïi vô? sf.l.N y£D ND y l sf : lực cắt : chu vi lõi bêtông : chiều dài ống thép : hệ sốma sát giữa ống thép và bêtông Một số kiểu neo trong ống thép 3.4 SỰ KIỀM CHẾ BỊ ĐỘNG TRONG LÕI BÊTÔNG u Trong cột bêtông cốt thép thông thường, cốt đai sẽ hạn chế sự giãn nở ngang của bêtông khi bêtông chịu nén, nghĩa là gây ra áp lực kiềm chế bị hộng đối với lõi bêtông. Tác động kiềm chế bị hộng của cốt thép đai thành bên đã làm chậm được các phá hoại vi cấu trúc trong bêtông, làm tăng khả năng chịu tải. u Để tránh hiện tượng phá hoại giòn có thể sử dụng bêtông cường độ cao và hể hạt được cường độ cao hơn thì có thể giảm khoảng cách giữa các cốt đai, điều này làm tăng thể tích lõi bêtông bị kiềm chế có hiệu quả. u Đối với loại cột thép nhồi bêtông, ống thép bao ngoài lõi bêtông kiêm cả hai nhiệm vụ như các cốt thép dọc và cốt thép đai. Vì vậy, lõi bêtông đã chịu ảnh hưởng của sự kiềm chế bị i ộng do ống thép gây ra. u Schneider (1998) tìm ra rằng cột mặt cắt tròn chịu mức độ kiềm chế lớn hơn so với cột mặt cắt chữ nhật do bề mặt phẳng bên của cột chữ nhật không đủ cứng chống lại áp lực thẳng góc. mặt cắt tròn có ủ ộ cứng chống lại áp lực thẳng góc với thành ống, vì vậy ứng suất kéo có hiệu quả theo chu vi tròn. tt 2r D sc sal cs sal slat slat ahssah Ứng suất trong ống thép và lõi bêtông lat ah t r s = s r : là bán kính của lõi bêtông t : là chiều dày của ống thép cc co ah tf f k r = + s ah cc co co t1 5k r f é ù ê ú ê úë û s e = e + cof coe : cường độ nén không bị kiềm chế : biến dạng ứng với cường độ nén k : là hệ số 3 trục u Ứng suất kéo theo chu vi trong ống thép tăng đã khiến cho cường độ nén cao hơn và khả năng biến dạng của bêtông tăng. u Do ống thép cũng chịu tải trọng dọc trục, sự kiềm chế bị i ộng phụ thuộc không chỉ vào biến dạng bên của lõi bêtông mà còn phụ thuộc vào sự giãn nở bên của ống thép. Do tổ hợp của ứng suất nén dọc trục và ứng suất vòng, ống thép sẽ ở trạng thái ứng suất hai trục. 3.5 CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊTÔNG CHỊU TẢI DỌC TRỤC u Cột với tỷ lệ L/D nhỏ (L chiều dài cột, D đường kính ngoài ống thép) là cột ngắn, loại cột này có khả năng chịu tải cho đến khi cả vỏ thép và lõi bê tông mạt đến cường độ giới hạn. Tải trọng lệch tâm ít ảnh hưởng đến cột ngắn. u Cột với tỷ lệ L/D lớn – cột dài, , ộ ổn định loại cột này phụ thuộc vào độ võng àn hồi hay không đàn hồi của cột. Tải trọng lệch tâm sẽ làm cho cột võng sớm hơn so với tải trọng đúng tâm tương đương. u Chính lực nén lệch tâm gây ra ra mômen uốn. Mômen uốn do độ lệch tâm ban đầu sẽ gây ra biến dạng uốn ngang được gọi là mômen sơ cấp, mômen này là nguyên nhân gây ra €ộ cong của cột, mômen bổ sung do độ cong ngang ở giữa chiều cao cột gọi là mômen thứ cấp. 3.5 CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊTÔNG CHỊU TẢI DỌC TRỤC 3.5.1. Cột thép ngắn nhồi bêtông u Khi tải trọng tác dụng lên cột thép ngắn nhồi bêtông, vì ộ cứng chống uốn của cột lớn nên biến dạng ngang và mômen thứ cấp có thể được bỏ qua vì không háng kể. u Trong thí nghiệm cột thép ngắn nhồi bê tông chia làm 2 loại dựa vào tỷ lệ D/t gồm ống thép nhồi bêtông vỏ ống mỏng và vỏ ống dày. u Đối với ống thép nhồi bê tông vỏ ống mỏng, lõi bê tông trở nên bị gò chặt và hộ bền nén dọc trục của lõi bêtông đạt hoàn toàn. Sự gò chặt làm cho lõi bê tông tiếp tục chịu được tải trọng cho đến khi ống thép bị phá hủy. u Đối với ống thép nhồi bê tông vỏ dày, các thí nghiệm cho thấy khi bị phá hủy cột thép bị oằn cục bộ. Biến dạng dọc trong lõi bêtông và vỏ thép không đủ lớn để xuất hiện sự gò ép lõi bêtông. Vì vậy khả năng tăng sức chịu tải trong lõi bêtông không được phát huy. 3.5 CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊTÔNG CHỊU TẢI DỌC TRỤC 3.5.1. Cột thép dài nhồi bêtông u Cột thép nhồi bê tông có hộ mảnh lớn thì sự ổn định là yếu tố quyết định khả năng chịu tải của cột. Khi cột thép dài chịu lực nén lệch tâm, trong trường hợp này mômen thứ cấp là . áng kể do tăng biến dạng ngang. Sự oằn cong cột thép sẽ xuất hiện trước khi biến dạng dọc cột thép đủ lớn để kéo theo sự dãn nở thể tích lõi bêtông. Cột thép oằn cong sẽ bị phá hủy với sự gò chặt lõi bêtông rất nhỏ. u Có rất nhiều tác giả đưa ra tỷ lệ L/D làm ranh giới giữa cột dài và cột ngắn: • Chen and Chen (1973), Bridge (1976), and Prion and Boehme (1989) đưa ra tỉ lệ L/D =15 • Knowles and Park (1969) đưa ra tỉ lệ L/D =12 • Zhong và các đồng nghiệp (1991) chỉ ra L/D= 5 • Theo Viện kiến trúc Nhật Bản AIJ(1990) thì L/D =12 3.6 ẢNH HƯỞNG CỦA CÁCH ĐẶT TẢI ĐẾN TRẠNG THÁI CƠ HỌC CỦA CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊTÔNG 3.6.1. Trường hợp đặt tải trọng lên toàn bộ mặt cắt u Trường hợp đặt tải này không có chuyển vị tương đối giữa ống thép và lõi bêtông, do đó sẽ không truyền lực cắt giữa chúng. Vì vậy, cường độ dính bám có ảnh hưởng không đáng kể. u Trong giai đoạn đặt tải ban đầu, mức độ giãn nở của bêtông nhỏ hơn của vỏ ống thép, ống thép giãn nở nhanh hơn theo hướng bán kính, vì thế vỏ thép không làm cản trở lõi bêtông. u Khi tăng tải lên, ống thép cản trở lõi bêtông và hình thành ứng suất vòng theo chu vi trong ống thép. Tại trạng thái này và sau nó, lõi bêtông bị nén theo 3 trục và ống thép bị nén theo 2 trục. u Tải trọng tác dụng lên cột ống thép nhồi bêtông có thể được tăng ngay cả khi vết nứt xuất hiện trong lõi bêtông. Do trong quá trình nứt, biến dạng bên tăng dẫn đến sự kiềm chế bị i ộng của ống thép cũng tăng, các vết nứt phát triển chậm lại và ổn định. Với việc tăng sự kiềm chế i ối với lõi bêtông thì ứng suất vòng trong ống cũng tăng. Vì vậy, khả năng chịu lực của ống thép bị giảm. 3.6 ẢNH HƯỞNG CỦA CÁCH ĐẶT TẢI ĐẾN TRẠNG THÁI CƠ HỌC CỦA CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊTÔNG 3.6.2. Trường hợp tải trọng chỉ tác dụng lên mặt cắt bêtông u Trong trạng thái ban đầu của quá trình đặt tải, lõi bêtông chịu toàn bộ tải trọng. Khi tải trọng tăng dần lên, lõi bêtông giãn nở ngang, áp lực và ứng suất cắt tại mặt tiếp xúc giữa ống thép và bêtông tăng, tải trọng được phân bố lại cho ống thép. u Cường độ dính bám tại mặt tiếp xúc giữa thép và bêtông ảnh hưởng lớn đến trạng thái cơ học của cột. Với giá trị của hệ số ma sát cao hơn, tải trọng được truyền nhờ ứng suất cắt và sự róng góp của ống thép vào khả năng chịu lực dọc tổng cộng được tăng lên. u Tuy nhiên tại cùng một thời điểm, ống thép vừa tham gia trực tiếp vào sức kháng tải trọng dọc đồng thời tham gia vào việc kiềm chế lõi bêtông, do ó khi ứng suất nén dọc trục tăng lên sẽ dẫn đến ứng suất vòng bị giảm đi, điều này làm giảm hiệu quả kiềm chế của lõi bêtông. u Như vậy, hệ số ma sát là yếu tố ảnh hưởng đến cường độ của lõi bêtông. Với trạng thái đặt tải này, sức kháng tải trọng và khả năng chống biến dạng cao nhất đạt được khi hệ số ma sát bằng 0, sức kháng tải trọng của lõi bêtông giảm khi hệ số ma sát tăng lên. 3.6 ẢNH HƯỞNG CỦA CÁCH ĐẶT TẢI ĐẾN TRẠNG THÁI CƠ HỌC CỦA CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊTÔNG 3.6.3. Trường hợp tải trọng chỉ tác dụng lên mặt cắt ống thép u Ống thép giãn nở ra phía ngoài theo hướng xuyên tâm và tách rời khỏi lõi bêtông khi mà dính bám chắc chắn giữa thép và bêtông bị triệt tiêu, hiện tượng này xuất hiện ngay từ khi mức độ hặt tải còn rất nhỏ. u Do đó không xảy ra sự phân bố lại lực dọc trục từ ống thép đến lõi bêtông và khi ó trạng thái cũng giống như trường hợp của cột thép rỗng. Vì vậy với điều kiện đặt tải trọng này, cột không thể được xét như cột liên hợp. u Thí nghiệm so sánh quan hệ tải trọng – biến dạng của cột thép rỗng và cột thép nhồi bêtông chỉ i ặt tải lên phần mặt cắt thép cho thấy sự khác nhau chủ yếu là lõi bêtông ngăn cản ống thép bị oằn (mất ổn định) vào phía trong, nhờ vậy có thể làm chậm sự phát triển mất ổn định cục bộ của ống. SFC SFS SFE P P P P SES P SFE P SESSFS P SFC P taûi troïng bieán daïng Tải trọng tác dụng lên lõi bêtông Tải trọng tác dụng lên vỏ thép Tải trọng tác dụng lên toàn bộ mặt cắt Tải trọng tác dụng lên ống thép rỗng 3.6 ẢNH HƯỞNG CỦA CÁCH ĐẶT TẢI ĐẾN TRẠNG THÁI CƠ HỌC CỦA CỘT ỐNG THÉP NHỒI BÊTÔNG u Thí nghiệm của Mathias Johansson and Kent Gylltoft (cột dài 2.5m, đường kính ngoài của ống thép 15.9cm, chiều dày của ống thép là 4.8mm) ứng với 3 trường hợp: • Tải trọng tác dụng lên mặt cắt liên hợp • Tải trọng chỉ tác dụng lên mặt cắt bêtông • Tải trọng tác dụng lên mặt cắt ống thép 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 0 10 20 30 40 N/Pmax bieán daïng (mm) bieán da ïng (mm) 403020100 N/P 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 max bieán daïng (mm) 403020100 N/P 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 max löïc taùc duïng treân oáng theùp löïc taùc duïng treân beâtoâng löïc toång hôïp Tải trọng tác dụng lên mặt cắt liên hợp Tải trọng chỉ tác dụng lên mặt cắt bêtông Tải trọng tác dụng lên mặt cắt ống thép u Đường biểu diễn sự phân bố tải trọng lên lõi bêtông và ống thép ứng với hai trường hợp đầu tiên là tương đối giống nhau, trong đó phần lõi bêtông chịu tải trọng lớn hơn phần ống thép, aiều này phát huy đúng khả năng làm việc của cấu kiện. u Trường hợp tải trọng chỉ tác dụng lên tiết diện ống thép thì ngược lại, khả năng mang tải của kết cấu chủ yếu do phần ống thép, sự phân bố lại ứng suất trong cột hầu như không có hoặc rất nhỏ. 2.500 1.875 1.250 0.625 0.000 0.0 0.25 0.5 0.75 1.0 tieát dieän theùp tieát dieän beâtoâng h(m) löïc taùc duïng leân tieát dieän lieân hôïp löïc taùc duïng leân tieát dieän beâtoâng löïc taùc duïng leân tieát dieän oáng theùp 2D 1.00.750.50.250.0 0.000 0.625 1.250 1.875 2.500 h(m) tieát dieän beâtoângtieát dieän theùp heä soá ma saùt baèng 0.2 heä soá ma saùt baèng 0.6 heä soá ma saùt baèng 0 2D Với hệ số ma sát là 0.6 thì tải trọng tác dụng lên mặt cắt ống thép có sự phân bố lại ứng suất theo chiều dài của cột tuy nhiên việc truyền ứng suất từ ống thép vào bêtông là rất nhỏ. Tải trọng tác dụng lên mặt cắt liên hợp thì không có sự phân bố lại ứng suất theo chiều dài của cột. Trường hợp tải trọng chỉ tác dụng vào phần lõi bêtông thì có sự phân bố lại ứng suất rất lớn theo chiều dài cột. Với tải trọng tác dụng lên lõi bêtông, thi khi hệ sốma sát giữa ống thép và lõi bêtông tăng lên thì sự phân bố lại ứng suất trong cột sẽ xuất hiện nhanh hơn. ( )q+q+= 1cAcfoNoNe1uN jj= cAcf aAaf=q : Khả năng chịu lực của đúng tâm : Chỉ tiêu gò chặt của tiết diện : Diện tích mặt cắt ngang của bêtông : Diện tích mặt cắt ngang của ống thép : Hệ số giảm khả năng chịu lực có xét đến độ mảnh : Cường độ chịu nén tính toán của bêtông : Cường độ chịu kéo tính toán của ống thép : Hệ số giảm khả năng chịu lực có xét đến độ lệch tâm của tải trọng oN q cA aA cf af 1j ej 3.9 TÍNH TOÁN KHẢ NĂNG CHỊU LỰC CỦA KẾT CẤU ỐNG THÉP NHỒ BÊTÔNG 3.9.1 Tiêu chuẩn của Trung Quốc 3.9.2 Theo Viện Kiến Trúc Nhật Bản (Architectural Institute of Japan AIJ) ỨNG DỤNG THIẾT KẾ CẦU VÒM ỐNG THÉP NHỒI BÊTÔNG CHƯƠNG 4 4.1 NHẬN XÉT PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH NỘI LỰC u Tiến hành khảo sát mô hình kết cấu cột chịu nén đúng tâm, kiểm tra một số tiết diện có đường kính (D), chiều dài cột (L), bề dày ống thép (ts), cố ịnh 2 yếu tố, cho một yếu tố kia thay i ổi, sau đó kiểm tra khả năng chịu lực của các tiết diện theo hai phương pháp là tính toán theo tiêu chuẩn của Trung Quốc và tính toán theo Viện Kiến trúc Nhật Bản. Dựa vào các số liệu tính toán, ta lập thành các biểu đồ và đánh giá sự ảnh hưởng của các yếu tố i ó i ến khả năng chịu lực của kết cấu Bieåu ñoà quan heä N - L (D=1,2m; ts=20mm) - 10,000 20,000 30,000 40,000 50,000 60,000 70,000 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 Chieàu daøi L(m) K ha û n aên g ch òu lö ïc ñu ùng ta âm N (k N ) Bieåu ñoà quan heä N - D (L=20m; ts=20mm) - 10.000 20.000 30.000 40.000 50.000 60.000 70.000 1,5 1,4 1,3 1,2 1,1 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 Ñöôøng kính ngoaøi oáng theùp (m) K ha û n aên g ch òu lö ïc ñu ùng ta âm N (k N ) Bieåu ñoà quan heä N - ts (D=1,2m; L=20m) - 10.000 20.000 30.000 40.000 50.000 22 20 18 16 14 12 10 8 6 4 Chieàu daøy oáng theùp ts(mm) K ha û n aên g ch òu lö ïc ñu ùng ta âm N (k N ) Theo AIJ theo TC TQ Bieåu ñoà quan heä M - L (D=1,2m; ts=20mm; N=10.000kN) - 5.000 10.000 15.000 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 Chieàu daøi L(m) K ha û n aên g ch òu m oâm en M (k N m ) Bieåu doà quan heä M - L (L=20m; ts=20mm; N=10.000kN) - 5.000 10.000 15.000 20.000 1,5 1,4 1,3 1,2 1,1 1 0,9 0,8 Ñöôøng kính oáng theùp D(m) K ha û n aên g ch òu m oâm en t M (k N m ) Bieåu ñoà quan heä M - ts (D=1,2m; L=20m; N=10.000kN) - 2.000 4.000 6.000 8.000 10.000 12.000 22 20 18 16 14 12 10 8 6 4 Chieàu daøy oáng theùp ts(mm) K ha û n aên g ch òu m oâm en M (k N m ) theo AIJ theo TC TQ 4.1 NHẬN XÉT PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH NỘI LỰC u Dựa vào các biểu đồ ta nhận thấy rằng khả năng chịu lực cho phép của kết của kết cấu ống thép nhồi bêtông tính toán theo quy trình của Trung Quốc lớn hơn so với phương pháp tính toán theo AIJ. u Khi đường kính ngoài của ống thép giảm thì khả năng chịu tải đúng tâm và khả năng chịu mômen của ống thép nhồi bêtông giảm rất nhanh, aiều này cho thấy rằng diện tích mặt cắt ảnh hưởng rất lớn đến khả năng chịu tải của kết cấu. u Hai đường biểu diễn có hai eoạn song song với trục hoành, nhưng đoạn thẳng biểu diễn phương pháp tính theo AIJ dài hơn, điều này là do quan điểm về khái niệm cột dài, với tiêu chuẩn của Trung Quốc, cột dài có giá trị Lo/D> 4 trong khi đó theo khái niệm của Viện Kiến Trúc Nhật Bản thì khái niệm cột dài Lo/D>12. 4.2. TÍNH TOÁN CẦU VÒM ỐNG THÉP NHỒI BÊTÔNG 4.2.1 Cấu tạo cầu vòm u Cầu gồm 2 sườn vòm với tiết diện hình tròn và thanh kéo. u Kết cấu hạ tầng gồm: dầm ngang, dầm dọc, dầm bản, thanh giằng… u Kích thước tiết diện ngang cầu như hình vẽ. 6000 lan can daàm doïc daàm ngang daàm baûn maët caàu BTN maët caàu Lôùp BTCT taêng cöôøng 7650 1100 550 2500 3500 12 .2 m 5 .2m5.2m 5.2m 5.2m 5.2m 5.2m 5.2m 5.2m 5.2m5.2m5.2m5.2m 5.2m 5.2m 72.8m 72.8m 14 .2 m 10.4m 10.4m 10.4m 4.2. TÍNH TOÁN CẦU VÒM ỐNG THÉP NHỒI BÊTÔNG 4.2.2 Liên kết các bộ phận kết cấu của cầu u Hai sườn vòm là cung tròn, song song và liên kết với nhau thông qua các thanh giằng ngang tại đỉnh vòm và 2 dầm ngang đầu vòm. u Thanh kéo trong mỗi sườn vòm giữ vai trò cân bằng lực xô ngang trong sườn vòm, được neo giữ tại chân vòm. u Dầm ngang giữa liên kết vào sườn vòm thông qua thanh cáp treo tại mỗi đầu dầm ngang. Dầm ngang đầu vòm được liên kết ngàm cứng vào chân vòm. u Dầm dọc là đoạn dầm với chiều dài bằng nhịp tính toán có tiết diện hình chữ nhật được đặt dọc theo cầu tại vị trí chân vòm, dầm dọc liên kết cứng vào đầu dầm ngang có tác dụng cố ịnh các dầm ngang. u Bản mặt cầu gồm các dầm bản gối lên phần dầm ngang. Phủ trên bản mặt cầu là lớp bê tông cốt thép tăng cường. u Hệ thống lan can tay vị và các lớp mặt đường được xây dựng trực tiếp trên lớp bê tông cốt thép tăng cường. 4.2. TÍNH TOÁN CẦU VÒM ỐNG THÉP NHỒI BÊTÔNG 4.2.2 Tải trọng tác dụng u Tĩnh tải là trọng lượng bản thân sườn vòm và trọng lượng các bộ phận tham gia kết cấu cầu vòm như: giằng ngang, cáp thanh treo, cáp thanh kéo, dầm dọc, dầm ngang, hệ lan can, bản mặt cầu, lớp bê tông cốt thép tăng cường mặt cầu, các lớp mặt đường, hộp bê tông đậy cáp thanh kéo. u Hoạt tải tải trọng HL93 (gồm xe tải thiết kế, xe hai trục thiết kế và tải trọng làn). 4.2.2 Phân bố hoạt tải trong kết cấu cầu vòm u Hoạt tải tác dụng lên lớp mặt đường được phân bố xuống dầm ngang qua dầm bản và bản mặt cầu. Dầm ngang truyền tải trọng lên sườn vòm thông qua thanh treo. u Toàn bộ tải trọng cầu tác dụng lên mố theo theo 2 phương, trong đó một thành phần tải trọng theo phương thẳng đứng được truyền lên mố trụ và một thành phần theo phương ngang truyền vào thanh kéo. 12,2mĐường tên 15mmChiều dày ống thép 1,2mĐường kính ống thép sườn vòm 10cmChiều dày lớp Bêtông tăng cường 7cmChiều dày lớp phủ mặt cầu 12mBề rộng mặt cầu 72.8mChiều dài nhịp tính toán Đơn vịHạng mục dữ liệu Kết quả tính toán 6.613 kNm16.754 kNTổ hợp Mmax -17.731 kNTổ hợp Nmax Mômen MLực dọc N 4.2. TÍNH TOÁN CẦU VÒM ỐNG THÉP NHỒI BÊTÔNG 4.2. TÍNH TOÁN CẦU VÒM ỐNG THÉP NHỒI BÊTÔNG u Kiểm toán theo tiêu chuẩn của Trung Quốc thì kết cấu thỏa điều kiện chịu lực, tuy nhiên khi kiểm tra theo AIJ thì không thỏa điều kiện cho tổ hợp Mmax. u Ta có thể khắc phục bằng cách : • Giảm bán kính của vòm để giảm mômen. • Tăng đường kính ống thép. • Tăng bề dày của ống thép. • Giảm chiều dài của ống thép nhồi bêtông… u Trong ví dụ tính toán ở trên, khi ta tăng chiều dày của ống thép từ ts = 15mm lên ts = 21mm hoặc tăng đường kính ống thép lên D=1,35m và vẫn giữ chiều dày vỏ thép là ts=15mm khi đó khả năng chịu mômen của ống thép đảm bảo. u Tuy nhiên, khi xét về hiệu quả kinh tế, việc tăng đường kính ống thép sẽ mang lại hiệu quả kinh tế cao hơn việc tăng chiều dày ống thép. KẾT LUẬN CHƯƠNG 5 u Kết cấu ống thép nhồi bêtông ứng dụng có hiệu quả trong các công trình cầu vượt nhịp lớn (từ 60m đến 150m). Hiện nay tại Việt Nam, cần ứng dụng kết cấu này đối với cầu vòm có làn xe chạy dưới, chạy giữa và vào các công trình nhà dân dụng, nhà công nghiệp và các tòa cao ốc. u Khi cột ống thép nhồi bêtông chịu tải trọng dọc trục thì trong lõi bêtông sẽ xuất hiện áp lực kiềm chế bị ộng do ống thép gây ra trong đó cột có tiết diện tròn chịu mức độ kiềm chế lớn hơn so với cột có tiết diện chữ nhật. u Phương pháp nhồi bêtông tốt nhất vào ống thép là sử dụng vật liệu bêtông tự i ầm là loại bê tông có oộ chảy cao, không phân tầng. Ngoài ra có thể tăng cường khả năng chịu lực của kết cấu bằng bêtông cường độ cao. u Hệ số ma sát giữa ống thép và lõi bêtông trong niều kiện tiếp xúc bình thường là 0,6. Khi tải trọng tác dụng lên cột ống thép nhồi bêtông thì có sự phân bố lại ứng suất theo chiều dài của cột. Hệ sốma sát càng lớn thì sự phân bố lại ứng suất xuất hiện càng nhanh. Khi tải trọng chỉ tác dụng lên tiết diện bêtông thì khả năng chịu tải của kết cấu xấp xỉ bằng tải trọng tác dụng lên toàn bộ tiết diện và lớn hơn nhiều so với khi tải trọng chỉ tác dụng lên tiết diện ống thép. u Khả năng chịu lực của kết cấu ống thép nhồi bêtông tính toán theo Viện Kiến Trúc Nhật Bản (AIJ) cho mức độ an toàn cao hơn tính toán theo tiêu chuẩn của Trung Quốc. Để tính toán khả năng chịu tải của kết cấu ống thép nhồi bêtông trong điều kiện động đất, ta sử dụng phương pháp tính của AIJ và tính toán sức chịu tải cực hạn của kết cấu. XIN CÁM ƠN QUÝ THẦY CÔ VÀ CÁC BẠN ĐÃ THEO DÕI !