Nghiên cứu mô phỏng sự phân bố nhiệt độ trong dầm cầu bê tông cốt thép có mặt cắt dạng hộp ở giai đoạn khai thác

Tạp chí Khoa học Giao thơng vận tải, Tập 73, Số (10/2022), 752-768 Transport and Communications Science Journal SIMULATION OF TEMPERATURE DISTRIBUTION IN CONCRETE BOX-GIRDER BRIDGES AT THE SERVICE STAGE Ngo Dang Quang1, Nguyen Huy Cuong1*, Mai Dinh Loc1, Dinh Huu Tai1, Le Minh Canh2 1Faculty of Construction Engineering, University of Transport and Communications, No Cau Giay Street, Hanoi, Vietnam 2Faculty of Civil Engineering, Campus in Ho Chi Minh City, University of Transport and Communications, No 450- 451 Le Van Viet Street, Thu Duc city, Ho Chi Minh City, Vietnam ARTICLE INFO TYPE: Research Article Received: 25/08/2022 Revised: 28/09/2022 Accepted: 01/10/2022 Published online: 15/10/2022 https://doi.org/10.47869/tcsj.73.8.2 * Corresponding author Email: nguyenhuycuong@utc.edu.vn; Tel: +84989832425 Abstract Thermal actions have frequently been related to the cracking of concrete bridges The primary source of thermal actions is the environmental effect due to solar radiation This paper presents simulation results to determine the temperature distribution on reinforced concrete box-girder bridges during the service stage The simulation was carried out in two steps: (a) validate with observed experimental data to check and modify the numerical model, and (b) predict the performance of structures under extreme weather scenarios with the fundamental input data taken from national regulations In this simulation, solar radiation is particularly calculated, considering sunlight's scattering effect following the sun's orbit The simulation results agree well with the observed experimental data and are consistent with the publications of many authors worldwide The thermal gradient data for the box girder obtained from the simulation have some differences compared with the thermal gradient model in the design codes for bridges, especially in the negative temperature gradients and horizontal temperature gradients on the girder's web Keywords: monitoring, simulation, temperature variations, solar radiation, box girder, reinforced concrete  2022 University of Transport and Communications 752 Transport and Communications Science Journal, Vol 73, Issue (10/2022), 752-768 Tạp chí Khoa học Giao thơng vận tải NGHIÊN CỨU MƠ PHỎNG SỰ PHÂN BỐ NHIỆT ĐỘ TRONG DẦM CẦU BÊ TÔNG CỐT THÉP CÓ MẶT CẮT DẠNG HỘP Ở GIAI ĐOẠN KHAI THÁC Ngơ Đăng Quang1, Nguyễn Huy Cường1*, Mai Đình Lộc1, Đinh Hữu Tài1, Lê Minh Cảnh2 1Khoa Kỹ thuật xây dựng, Trường Đại học Giao thông vận tải, Số Cầu Giấy, Hà Nội, Việt Nam Khoa Công trình, Phân hiệu Thành phố Hồ Chí Minh, Trường Đại học Giao thông vận tải, Số 450-451 Lê Văn Việt, thành phố Thủ Đức, Thành phố Hồ Chí Minh, Việt Nam THƠNG TIN BÀI BÁO CHUN MỤC: Cơng trình khoa học Ngày nhận bài: 25/08/2022 Ngày nhận sửa: 28/09/2022 Ngày chấp nhận đăng: 01/10/2022 Ngày xuất Online: 15/10/2022 https://doi.org/10.47869/tcsj.73.8.2 * Tác giả liên hệ Email: nguyenhuycuong@utc.edu.vn; Tel: +84989832425 Tóm tắt Tác động nhiệt độ ngun nhân gây nứt cho cơng trình cầu bê tông, đặc biệt ảnh hưởng từ xạ mặt trời Bài báo trình bày kết mô xác định phân bố nhiệt độ dầm cầu bê tơng cốt thép có mặt cắt dạng hộp giai đoạn khai thác Việc mô thực theo hai bước (a) mô đối chứng với số liệu quan trắc nhằm kiểm tra, hiệu chỉnh mơ hình tính (b) mơ dự đốn với số kịch thời tiết cực đoan với số liệu lấy từ Quy chuẩn xây dựng Trong nghiên cứu mô này, xạ mặt trời tính tốn mức độ chi tiết dựa công bố gần với việc xem xét tác động tán xạ quanh mặt trời theo quỹ đạo mặt trời Các kết mô phản ánh số liệu quan trắc phù hợp với công bố nhiều tác giả giới Các số liệu mô tả gradient nhiệt cho mặt cắt dạng hộp thu từ kết mơ có số khác biệt so với mơ hình gradient nhiệt tiêu chuẩn thiết kế cầu, đặc biệt mơ hình gradient nhiệt âm gradient nhiệt theo phương ngang thành dầm Từ khóa: quan trắc, mô phỏng, biến thiên nhiệt độ, xạ mặt trời, dầm hộp, bê tông cốt thép  2022 Trường Đại học Giao thơng vận tải 753 Tạp chí Khoa học Giao thông vận tải, Tập 73, Số (10/2022), 752-768 GIỚI THIỆU Trong dầm cầu bê tông cốt thép (BTCT) có mặt cắt dạng hộp, khơng khí bên lịng hộp trao đổi với bên nên nhiệt độ hộp tương đối ổn định nhiệt độ bên thay đổi liên tục theo điều kiện thời tiết xạ mặt trời Điều dẫn đến quy luật thay đổi nhiệt độ mặt cắt dầm cầu dạng hộp khác với quy luật thay đổi nhiệt độ dầm có mặt cắt dạng hở Đặc biệt hơn, thay đổi nhiệt độ lớn cịn có theo phương ngang thành dầm Điều chứng minh sở kết quan trắc, nghiên cứu công bố cơng trình [1], [2], [3] , v.v Tuy nhiên, tiêu chuẩn thiết kế cầu nước ta nay, TCVN 11823:2007 [4], mơ hình gradient nhiệt xét đến biến thiên nhiệt độ theo phương đứng mà chưa xét đến biến thiên nhiệt độ theo phương ngang Ở nước ta, dự án quan trắc nhiệt độ dầm cầu BTCT dạng hộp triển khai từ năm 2021 Các kết quan trắc nước ta phù hợp với kết công bố giới [5] Tuy nhiên, với thời gian quan trắc chưa thật dài, khoảng năm, số liệu thu chưa đủ để phản ánh ảnh hưởng môi trường đến phân bố nhiệt độ kết cấu vịng đời Nhằm mục đích xây dựng mơ hình phân bố nhiệt độ (mơ hình gradient nhiệt) cho cầu dầm hộp nước ta, phương pháp mơ máy tính kết hợp kết quan trắc áp dụng Phương pháp nêu nhiều nghiên cứu [6], [7], [8], v.v Q trình mơ thực theo hai bước (a) mô đối chứng với kết đo (b) mơ dự đốn Việc mô đối chứng với kết đo nhằm mục đích đánh giá tính phù hợp mơ hình để, sở đó, thực mơ dự đốn Mục đích mơ dự đốn xác định quy luật thay đổi nhiệt độ phận dầm cầu Công cụ mô phương pháp phần tử hữu hạn với phương trình truyền nhiệt phổ biến thực phần mềm máy tính COMSOL Multiphysics [8] Bên cạnh tính chất vật liệu, số liệu đầu vào tốn truyền nhiệt nhiệt độ khơng khí bên ngồi bên cầu, tốc độ gió, v.v lấy trực tiếp từ kết quan trắc số liệu lượng xạ mặt trời hiệu chỉnh từ Quy chuẩn xây dựng Việt Nam (QCXD) [5] tính tốn theo phương pháp nêu [9] Bức xạ mặt trời xét đến bao gồm thành phần trực xạ (bức xạ trực tiếp), tán xạ phản xạ Tán xạ lại chia thành “tán xạ phân bố đều” tồn vịm trời “tán xạ quanh mặt trời” Trực xạ tán xạ quanh mặt trời có hướng tác dụng thay đổi theo thời gian ngày Bài báo trình bày phương pháp số kết mô điển hình phân bố nhiệt độ (gradient nhiệt) dầm cầu BTCT có mặt cắt dạng hộp nước ta TỔNG QUAN VỀ NGUN TẮC TÍNH TỐN NHIỆT ĐỘ TRONG KẾT CẤU Ở GIAI ĐOẠN KHAI THÁC Trong giai đoạn khai thác, thay đổi nhiệt độ vị trí dầm bê tơng phụ thuộc vào nhiệt độ mơi trường, gió đặc biệt xạ mặt trời (Hình 1) Sự phân bố nhiệt độ vị trí 754 Tốc độ gió Truyền nhiệt đối lưu Nhiệt độ môi trường Bức xạ mặt trời Truyền nhiệt xạ Nhiệt độ Hình Các yếu tố tác động đến phân bố nhiệt độ dầm cầu Transport and Communications Science Journal, Vol 73, Issue (10/2022), 752-768 dầm cầu giai đoạn khai thác tính tốn phương trình vi phân truyền nhiệt Fourier (1), phương trình điều kiện biên (2) trạng thái ban đầu (3) Trong phương trình này, T nhiệt độ thời điểm t điểm có toạ độ x , y, z ,  mật độ, c nhiệt dung riêng, k hệ số dẫn nhiệt vật liệu, Dx , Dy , Dz côsin phương véc tơ pháp tuyến bề mặt kết cấu q thông lượng nhiệt trao đổi qua bề mặt kết cấu Ở giai đoạn khai thác, biến thiên nhiệt độ kết cấu bê tông trao đổi nhiệt với bên sinh c T   T    T    T      k k k t x  x  y  y  z  z  (1) T T T Dx  k Dy  k D q  x y z z (2) k Tt 0  f x , y, z  (3) Theo Elbadry nnk [10] Lu nnk [11] thơng lượng nhiệt q chia thành thành phần ứng với truyền nhiệt xạ sóng ngắn, qS , xạ sóng dài, q L , đối lưu, qC , sau q  qS  qL  qC (4) Đối với cơng trình cầu, qS , xác định phụ thuộc lượng xạ mặt trời đến bề mặt kết cấu xác định theo công thức qS  I s (5) Với  hệ số hấp thụ xạ vật liệu bề mặt I s tổng xạ mặt trời tiếp cận bề mặt kết cấu Cách xác định I s trình bày mục 3.2 Thành phần q L phản ánh truyền nhiệt xạ sóng dài, xác định theo cơng thức:  q L   Ts4 Ta4  (6) Với  hệ số phát xạ nhiệt,  số Stefan-Boltzmann, Ts nhiệt độ bề mặt kết cấu Ta nhiệt độ môi trường Thành phần truyền nhiệt qua đối lưu bề mặt kết cấu môi trường khơng khí xác 755 Tạp chí Khoa học Giao thông vận tải, Tập 73, Số (10/2022), 752-768 định sau: qc  hC Ts  Ta  (7) Trong đó, hC hệ số truyền nhiệt qua đối lưu, phụ thuộc vào vận tốc khơng khí mơi trường (vận tốc gió) vị trí tương đối bề mặt kết cấu XÁC ĐỊNH THAM SỐ 3.1 Tính chất vật liệu Các tính chất quan trọng vật liệu cần thiết cho tốn phân tích nhiệt bao gồm khối lượng riêng (mật độ), nhiệt dung riêng, hệ số dẫn nhiệt, hệ số hấp thụ xạ, hệ số phát xạ nhiệt Đối với bê tông kết cấu (bê tông xi măng), theo Tayşi nnk [12], trừ giá trị khối lượng riêng, tính chất nhiệt bê tơng địi hỏi phương pháp thiết bị thí nghiệm đặc biệt để xác định Do đó, giá trị thường lựa chọn từ công bố khoa học Các tác giả liệt kê, phân tích giá trị Cụ thể tính chất có liên quan đến phân tích nhiệt của bê tơng kết cấu thống kê sau  Khối lượng riêng,  : thay đổi từ 2200 đến 2400 kg/m3  Nhiệt dung riêng, c : thay đổi khoảng 753 to 1200 J/kg·°K  Hệ số dẫn nhiệt, k : thay đổi khoảng 1,0 đến 3,6 W/m·°K Miền giá trị sử dụng phổ biến từ 1,3 đến 2,5 W/m·°K  Hệ số hấp thụ xạ,  : biến thiên khoảng 0,5 đến 0,8 Trong đó, giá trị sử dụng phổ biến thay đổi khoảng từ 0,5 đến 0,7  Hệ số phát xạ nhiệt,  : biến thiên khoảng 0,85 đến 0,95 Tayşi nnk [12] nghiên cứu khảo sát tham số xác định, tham số kể trên, hệ số hấp thụ xạ có ảnh hưởng nhiều khối lượng riêng hệ số phát xạ nhiệt có ảnh đến thay đổi nhiệt độ dầm hộp bê tông Pan et al [13] có nghiên cứu chi tiết cho thấy, tính chất nhiệt bê tơng asphalt phụ thuộc vào chất kết dính, cốt liệu trạng thái nhiệt độ Tuy nhiên, giá trị tính chất thay đổi miền khơng lớn Trong đó, nhiệt dung riêng thay đổi khoảng 800 to 1100 J/kg·K, hệ số dẫn nhiệt khoảng 1,56 đến 2,24 W/m·K, hệ số phát xạ nhiệt biến thiên khoảng 0,8 đến 1,0 Hệ số hấp thụ xạ nhiệt thay đổi khoảng 0,92 đến 1,0 Trong nghiên cứu này, giá trị mô tả tính chất vật liệu lấy miền khuyến cáo hiệu chỉnh cho kết tính tốn phù hợp với kết đo đối chứng 756 Transport and Communications Science Journal, Vol 73, Issue (10/2022), 752-768 3.2 Bức xạ mặt trời Bức xạ mặt trời đến mặt kết cấu chia thành thành phần trực xạ (bức xạ trực tiếp) tán xạ phản xạ sau [9]: Is  Ib  Id  Ia (8) Với I b xạ trực tiếp (beam radiation) I d tán xạ (diffused radiation) I a phản xạ từ môi trường lên kết cấu (albedo) Các nghiên cứu [9], [10], [13] [14] trình bày chi tiết phương pháp xác định đại lượng Bài báo nêu công thức sử dụng trực tiếp nghiên cứu I b  I sckT cos  (9) I d  I sc 0, 271  0, 294kT  (10) 1  cos    I a  I b  I d  a    (11) k t kT  0, a u  sin a 0,5  (12) Ở đây, I sc  1360 W m2 số xạ mặt trời – cường độ xạ mặt trời ngồi bề mặt khí quyển, kT hệ số truyền, xét đến suy giảm xạ mặt trời khơng khí  góc tia mặt trời pháp tuyến bề mặt kết cấu, ka tỷ số áp suất khơng khí cao kết cấu với áp suất khơng khí cao độ mặt nước biển (Bảng 1), tu hệ số xét đến mức độ mây che ô nhiễm khơng khí làm giảm xạ mặt trời a góc cao độ mặt trời Hệ số tu có giá trị từ 1,8 cho bầu trời trong, không mây đến khoảng 8,0 cho bầu trời với khơng khí khu công nghiệp hay trời đầy mây [13], [14] a hệ số phản xạ môi trường liệt kê chi tiết [14] Một số giá trị sử dụng tính tốn cho cơng trình cầu phổ biến liệt kê Bảng  góc bề mặt kết cấu tính tốn mặt nằm ngang Bảng Hệ số ka [13] Cao độ so với mực Hệ số k a nước biển (m) 1,0 500 0,94 1000 0,89 1500 0,84 2000 0,79 Bảng Hệ số a cho số dạng bề mặt môi trường Bề mặt môi trường (m) Hệ số a Nước lạnh Cát Bê tông 0,05 – 0,18 0,15 – 0,45 0,17 – 0,27 757 Tạp chí Khoa học Giao thơng vận tải, Tập 73, Số (10/2022), 752-768 Tán xạ lại chia thành tán xạ phân bố (isotropic radiation) I d ,iso tán xạ quanh mặt trời (circumsolar radiation), I d ,cs Ảnh hưởng xạ trực tiếp, Ib , tán xạ quanh mặt trời, I d ,cs , phụ thuộc vào độ nghiêng mức độ che khuất bề mặt kết cấu Tán xạ I d ,iso I d ,cs lên bề mặt kết cấu xác định theo cơng thức (13) (14) 1  cos    I d ,iso  I d 1  Ai    I d ,cs  I d Ai cos  cos  (13) (14) Trong đó, Ai tỷ số trực xạ tính mặt nằm ngang số xạ mặt trời Khi tính tốn ảnh hưởng xạ trực tiếp tán xạ gần mặt trời lên thành dầm, phần bóng che khuất cong xon lên thành dầm cần xét đến Theo [10], chiều cao khuất nắng thành dầm cong xon mặt cầu gây ra, hsh , tính sau hsh  h  lc tan a sin 90       sin   cos  tan a (15) Trong đó, lc chiều dài cong xon,  góc phương vị pháp tuyến mặt thành dầm   góc phương vị mặt trời Hình So sánh kết tính tốn tổng xạ mặt với số liệu Quy chuẩn xây dựng Hiện nay, QCXD [5] cung cấp giá trị trị trực xạ tán xạ số địa phương nước ta Tuy nhiên, giá trị có dạng trung bình theo tháng nên có độ chi tiết khơng cao Dựa công thức chi tiết nêu tài liệu [9], [10] [13], tác giả nghiên cứu xây dựng hệ thống bảng tính cho phép tính giá trị xạ mặt trời theo thời gian vị trí cầu Số liệu đầu vào bảng tính bao gồm vị trí 758 Transport and Communications Science Journal, Vol 73, Issue (10/2022), 752-768 địa lý cầu (kinh độ, vĩ độ), cao độ so với mực nước biển, hướng mặt kết cấu tính, mức độ che phủ mây tầm nhìn lên bầu trời Độ xác số liệu từ bảng tính kiểm chứng với giá trị QCXD (Hình 2) 3.3 Tốc độ gió Tốc độ gió cơng trình cầu lấy từ số liệu trạm khí tượng gần QCXD [5] cung cấp giá trị vận tốc gió trung bình ngày cho tháng năm Trong nghiên cứu này, số liệu sử dụng để tính tốn đối chứng lấy từ nguồn số liệu môi trường theo sân bay [15] gần cơng trình quan trắc mơ dự đốn, tốc độ gió lấy theo giá trị trung bình cung cấp QCXD 3.4 Nhiệt độ khơng khí Trong tính tốn đối chứng, nhiệt độ khơng khí lấy trực tiếp từ giá trị quan trắc trường Trong tính tốn mơ dự đoán, giá trị nhiệt độ lấy từ số liệu QCXD [5] bao gồm nhiệt độ khơng khí trung bình, nhiệt độ khơng khí cao trung bình nhiệt độ khơng khí thấp trung bình ứng với kịch tính tốn khác Trong tính tốn dự đốn, biến thiên nhiệt độ khơng khí mơi trường, Ta , mơ tả phương trình sau [14], [16]:   Ta t   Tavg  Ta  cos 2 t  tT max  24 (16) Trong đó, t thời gian ngày, tính giờ, Tavg nhiệt độ trung bình ngày, Ta nửa biên độ nhiệt độ ngày tT max thời điểm nhiệt độ ngày đạt giá trị lớn 3.5 Hệ số đối lưu Hệ số đối lưu sử dụng tính tốn truyền nhiệt cơng trình cầu xác định từ công thức kinh nghiệm nêu [12] sau với v vận tốc khơng khí hC  3, 83v  4, 67 (17) hC  3, 83v  2,17 (18) hC  3, 83v  3, 67 (19) hC  3, (20) Trong đó, cơng thức (17), (18) (19) áp dụng cho mặt dầm, thành dầm, mặt dầm công thức (20) áp dụng lòng hộp 4.1 PHƯƠNG PHÁP MƠ PHỎNG Cơng cụ mơ 759 Tạp chí Khoa học Giao thông vận tải, Tập 73, Số (10/2022), 752-768 Việc tính tốn, mơ biến thiên nhiệt độ phương pháp phần tử hữu hạn, thực chất, việc giải phương pháp phần tử hữu hạn phương trình vi phân nêu Một số phần mềm COMSOL [8], ANSYS, v.v cung cấp gói ứng dụng chun biệt cho tốn mơ nhiệt kết cấu với mơ hình truyền nhiệt ổn định khơng ổn định, áp dụng cho toán thực tế Trong nghiên cứu này, phần mềm COMSOL sử dụng Phần mềm sử dụng có hiệu nhiều tốn tương tự [7], [12] COMSOL cho phép mô nhiệt kết hợp học tính tốn ứng suất, biến dạng nhiệt mơ hình chiều chiều [5] Với số liệu đầu vào, COMSOL chấp nhận dạng bảng số liệu quan trắc nhiệt độ khơng khí hay dạng phương trình (15), (16), v.v Để mơ truyền nhiệt qua đối lưu, ngồi việc sử dụng hệ số đối lưu tính mục 3.5, COMSOL cung cấp mơ hình tính toán thực tế “đối lưu cưỡng bức”, “đối lưu tự nhiên”, v.v với hướng bề mặt khác hướng lên, hướng xuống, hướng nghiêng, v.v Các mô hình phù hợp sử dụng cho tốn mơ Trong nghiên cứu nêu đây, mơ hình tính có dạng chiều biến dạng phẳng Phần tử sử dụng phần tử bậc cao COMSOL 4.2 Các trường hợp mô Việc mô thực với trường hợp sau: a) Mô đối chứng với kết quan trắc thực tế Mục đích việc mơ kiểm tra, hiệu chỉnh lại mơ hình tính số liệu đầu vào dựa số kết quan trắc điển hình thực cơng trình cầu khoảng thời gian năm b) Mơ dự đốn Mục đích việc mơ dự đốn xây dựng mơ hình gradient nhiệt dầm cầu bê tơng cốt thép có mặt cắt dạng hộp ứng với kịch xạ mặt trời nhiệt độ môi trường khác Cụ thể là: i Bức xạ mặt trời cao nhiệt độ khơng khí trung bình cao (BXC-NĐTBC), mô tả tác động môi trường giai đoạn thời tiết cao điểm mùa hè ii Bức xạ mặt trời khơng đáng kể nhiệt độ khơng khí thay đổi từ trung bình cao tháng trung bình thấp tháng (NĐTBC-TBT); mơ tả mơ tả tác động môi trường giai đoạn thời tiết thay đổi mạnh mùa đơng 5.1 KẾT QUẢ MƠ PHỎNG Mô đối chứng với kết quan trắc thực tế Như nêu [5], dự án quan trắc nhiệt độ cơng trình cầu đại diện cho vùng khí hậu xây dựng nước ta thực Cụ thể cầu Vĩnh Thịnh đại diện cho 760 Transport and Communications Science Journal, Vol 73, Issue (10/2022), 752-768 vùng khí hậu miền Bắc, cầu Quán Hàu, đại diện cho vùng khí hậu miền Trung cầu Gò Găng đại diện cho vùng khí hậu miền Nam Với thời gian quan trắc năm, kết thu phản ánh tương đối đầy đủ thay đổi nhiệt độ cầu qua mùa và, đó, sử dụng để đánh giá độ tin cậy việc mơ Hình minh hoạ cách bố trí điểm đo (cảm biến) mặt Hướng Tây Hướng Đơng cắt cầu Tổng cộng có 20 điểm đo #1 #21 bố trí thành vị trí #18 #6 #2 A G #22 4,5 4,5 #17 F #3 B #5 #16 #4 mặt cầu, thành cầu đáy Nói chung, vị trí, điểm đo #20: đo nhiệt độ cách mặt bê tông hộp #15 #9 0,8 0,8 #14 E C #8 khoảng cm, điểm cách #13 #7 #12 điểm đo cm điểm 0,0 #11 D #10 cách mặt bê tông cm #19: đo nhiệt độ ngồi hộp Bên cạnh đó, có cảm biến đo nhiệt độ khơng khí bên ngồi Hình Sơ đồ bố trí cảm biến mặt cắt dầm hộp bê cảm biến đo nhiệt độ khơng khí tơng cốt thép bên mặt cắt dầm cầu a Nhiệt độ cầu Vĩnh Thịnh Hình Nhiệt độ khơng khí ngồi trời xạ tính tốn cầu Vĩnh Thịnh Hình So sánh nhiệt độ quan trắc (a) tính tốn (b) điểm mặt cầu 761 Tạp chí Khoa học Giao thông vận tải, Tập 73, Số (10/2022), 752-768 Ngày 17/4/2022 khu vực cầu Vĩnh Thịnh có đợt gió mùa mạnh làm nhiệt độ khơng khí giảm mạnh Do trời đầy mây nên xạ mặt trời nhỏ Kết đo nhiệt độ khơng khí ngồi trời thể Hình 4a Bức xạ mặt trời tính tốn dựa phương pháp nêu mục 3.2 ứng với mức độ mây che phủ (tầm nhìn) cung cấp từ số liệu sân bay Nội Bài 90% ứng với hệ số tu  (Hình 4b) Tốc độ gió trung bình lấy từ số liệu sân bay Nội Bài 1,8 m/s Kết tính tốn kết quan trắc cho điểm mặt cầu so sánh Hình Có thể thấy rằng, kết mô phù hợp với kết quan trắc giá trị tuyệt đối quy luật biến thiên nhiệt độ Bảng Các tham số vật liệu bê tông kết cấu sử dụng mơ hình mơ Bê tơng kết cấu Bê tông nhựa Khối lượng riêng 24.000 kg/m 22.000 kg/m3 Hệ số giãn nở nhiệt 10⸳10E-6 10⸳10E-6 Hệ số dẫn nhiệt 1,8 W/(m⸳°K) 1,2 W/(m⸳°K) Hệ số phát xa nhiệt 0,9 0,9 Hệ số hấp thụ xạ 0,7 1,0 a Nhiệt độ cầu Quán Hàu Nhiệt độ cầu Quán Hàu tính ứng với ngày 26/4/2022, ngày nắng mạnh năm khu vực cầu Các thông số vật liệu sử dụng tương tự cầu Vĩnh Thịnh (Bảng 3) Nhiệt độ khơng khí lấy từ số liệu quan trắc thể Hình 6a Bức xạ mặt trời tính tốn theo tầm nhìn bầu trời với độ che phủ mây 20% cung cấp từ số liệu thời tiết sân bay Huế thể Hình 6b Tốc độ gió trung bình lấy từ nguồn số liệu 2,2 m/s Hệ số phản xạ tính tốn lấy 0,1, tương ứng với giá trị hệ số phản xạ mặt nước theo Bảng Hình Nhiệt độ khơng khí tổng xạ mặt trời tính tốn lên mặt cầu Qn Hàu Việc so sánh kết tính tốn quan trắc cho số điểm điển hình thể Hình Có thể thấy kết tính tốn phản ánh xác kết quan trắc thời điểm ánh sáng mặt trời bắt đầu chiếu lên thành cầu, thời điểm ánh sáng mặt trời lên thành 762 Transport and Communications Science Journal, Vol 73, Issue (10/2022), 752-768 cầu bị cong xon mặt cầu che khuất Hình So sánh nhiệt độ quan trắc tính tốn số điểm cầu: A điểm thành cầu bắt đầu chiếu sáng, B điểm thành cầu bắt đầu bị cong xon che khuất 5.2 Mơ dự đốn Để phục vụ cho mơ dự đốn, cầu có mặt cắt tương tự cầu Vĩnh Thịnh lựa chọn dạng mặt cắt phổ biến với thành nghiêng bề rộng ứng với xe chạy Trục dọc cầu giả định Bắc – Nam và, tương ứng, pháp tuyến mặt thành cầu có hướng Đơng Tây Giả thiết dẫn đến xạ mặt trời lên thành dầm vào mùa hè lớn phía Đơng (buổi sáng) phía Tây (buổi chiều) a Số liệu tính toán  Trường hợp xạ mặt trời cao nhiệt độ khơng khí trung bình cao (BXC-NĐTBC) Tác động lớn gây biến đổi nhiệt độ cầu xạ mặt trời Do đó, địa điểm lựa chọn để tính tốn Nha Trang Đây địa điểm có cường độ xạ mặt trời cao nước ta [21] Thời điểm chọn để tính tốn ngày 15/7, ngày có xạ mặt trời lớn Theo phương pháp nêu trên, tổng xạ mặt trời tính tốn cho vị trí dầm cầu thể Hình Đây giá trị tính ứng với mức che phủ mây 10% ứng với hệ số tu  1, Đối với mặt cầu nằm ngang, tổng xạ tính tốn 7580 W/m2/ngày Nhiệt độ khơng khí sử dụng mơ giá trị trung bình cao biên độ nhiệt độ ngày ứng với tháng Nha Trang, theo QCXD [5], 32,5 °C °C Quy luật biến thiên nhiệt độ khơng khí mơ tả theo phương trình (16) Tốc độ gió trung bình lấy 1,7 m/s [5]  Trường hợp xạ mặt trời không đáng kể nhiệt độ khơng khí thay đổi từ trung bình cao tháng trung bình thấp tháng (NĐTBC-TBT) Theo số liệu cung cấp QCXD [5], địa phương có mức chênh lệch lớn nhiệt độ khơng khí trung bình cao nhiệt độ trung bình thấp tháng Đắc Tô với giá trị 15,2 °C tháng Khi tính tốn với trường hợp này, nhiệt độ ban đầu kết cấu giả định nhiệt độ trung bình cao tháng 29,8 °C nhiệt độ môi trường 763 Tạp chí Khoa học Giao thơng vận tải, Tập 73, Số (10/2022), 752-768 giảm nhiệt độ trung bình thấp tháng 14,6 °C Quy luật thay đổi nhiệt độ ngày mô tả theo phương trình (16) với biên độ nhiệt độ ngày 15,1 °C [5] Hình Tổng xạ mặt trời cho vị trí dầm cầu giả định Nha Trang b Kết tính tốn  Trường hợp xạ mặt trời cao nhiệt độ khơng khí trung bình cao (BXC-NĐTBC)  Hình (a) Sự thay đổi nhiệt độ tính tốn điểm mặt cầu, (b) biểu đồ thể gradient nhiệt lớn theo phương đứng trường hợp BXC-NĐTBC Hình 10 Nhiệt độ tính tốn điểm (a) thành phía Đơng, (b) thành phía Tây trường hợp BXC-NĐTBC Các Hình Hình 10 thể biến thiên nhiệt độ ngày điểm tương ứng với 764 Transport and Communications Science Journal, Vol 73, Issue (10/2022), 752-768 điểm bố trí điểm đo (cảm biến) cầu thực (Hình 3) mặt cầu, thành phía Đơng thành phía Tây Nhìn chung, quy luật biến thiên nhiệt độ mơ hình mơ hồn tồn tương tự kết đo cầu thực Tuy nhiên, điều kiện môi trường chọn thiên trạng thái gây nhiệt độ lớn lên cầu nên giá trị tuyệt đối tính lớn giá trị đo nhiều Các giá trị này, vậy, phù hợp với giá trị công bố [12], [14], [22], [23] Hình 9b mơ tả gradient nhiệt mơ theo phương đứng cho mặt cầu Có thể thấy quy luật biến thiên nhiệt độ phù hợp với mơ hình tiêu chuẩn TCVN 11823:2017 [4] dù vài giá trị có khác biệt nhỏ Bảng Hình 11a minh hoạ biến thiên nhiệt độ theo phương đứng cho toàn mặt cắt cầu theo thành dầm phía Tây thời điểm khác ngày Quy luật biến thiên nhiệt độ phù hợp với kết công bố [14], [23], v.v phù hợp với mơ hình nêu TCVN 11823:2017 [4] Gradient nhiệt theo phương ngang thành dầm phía Tây ứng với thời điểm nhiệt độ mặt thành cao thể Bảng Hình 11b Quy luật biến thiên nhiệt độ thành tương tự mặt cầu Gradient nhiệt lớn xảy khoảng 20 cm gần bề mặt và, từ khoảng chiều sâu 30 cm, gradient nhiệt nhỏ Phần diện tích mặt cắt chịu ảnh hưởng gradient nhiệt lớn, đó, không nhiều Sự chênh lệch nhiệt độ xảy khoảng thời gian tương đối ngắn, khoảng giờ, từ 15 đến 16 (xem Hình 11) Do đó, việc đọc liệu, quan trắc mô phỏng) thực với tần suất lớn giá trị bị bỏ qua Bảng Một số giá trị gradient nhiệt dương mô Gradient nhiệt dương đứng (lúc 15h) Gradient nhiệt dương ngang phía Tây (16h) Chiều sâu mặt cắt Giá trị Chiều sâu tính từ Chênh Giá trị tuyệt Chênh tính từ mặt cầu tuyệt đối mép thành lệch (°C) đối (°C) lệch (°C) (m) (°C) (cm) 61,55 27,54 54,36 22,68 0,1 49,15 15,14 46,42 12,76 0,2 40,78 6,77 10 39,60 5,94 0,5 34,19 0,18 20 34,93 1,27 2,4 34,01 0,00 30 34,10 0,44 4,8 34,12 0,11 40 33,86 0,20 5,6 34,02 0,01 50 33,74 0,09 6,4 36,94 2,93 60 33,66 0,00  Trường hợp xạ mặt trời khơng đáng kể nhiệt độ khơng khí thay đổi từ trung bình cao tháng trung bình thấp tháng (NĐTBC-TBT) Sự thay đổi nhiệt độ vị trí mặt cắt dầm cầu thay đổi nhiệt độ môi trường tương đối đơn điệu, trường hợp tính tốn đối chứng cầu Vĩnh Thịnh (mục 5.1) Do đó, với phạm vi báo này, số kết mô tả gradient nhiệt trình bày Bảng Hình 12 Có thể thấy rằng, nhiệt độ mơi trường giảm mạnh, nhiệt độ bề mặt ngồi dầm cầu giảm mạnh theo, gây gradient nhiệt âm tương đối lớn theo phương đứng phương ngang 765 Tạp chí Khoa học Giao thơng vận tải, Tập 73, Số (10/2022), 752-768 Hình 11 Biểu đồ mô tả gradient nhiệt (a) theo phương đứng, (b) theo phương ngang thành cầu phía Tây trường hợp BXC-NĐTBC Bảng Một số giá trị gradient nhiệt âm mô Gradient nhiệt âm đứng (8h) Gradient nhiệt âm ngang phía Tây (5h) Chiều sâu mặt cắt Giá trị Chiều sâu tính từ Giá trị Chênh lệch Chênh lệch tính từ mặt cầu tuyệt đối mép ngồi thành tuyệt đối (°C) (°C) (m) (°C) (cm) (°C) 19,79 -6,44 15,90 -11,74 0,1 22,47 -3,76 18,04 -9,60 0,2 24,45 -1,77 10 20,11 -7,52 0,5 26,23 0,00 20 23,31 -4,33 2,4 24,86 -1,36 30 25,41 -2,22 4,8 24,68 -1,54 40 26,65 -0,98 5,6 24,59 -1,64 50 27,36 -0,28 6,4 21,84 -4,39 60 27,64 0,00 Hình 12 Biểu đồ mô tả gradient nhiệt (a) theo phương đứng (b) theo phương ngang thành dầm phía Tây trường hợp NĐTBC-TBT Hình 12a mơ tả biến thiên nhiệt độ tính tốn theo phương đứng mặt cắt dầm Biểu đồ phù hợp với kết nêu [6], [12], v.v kết quan trắc nêu [5] Kết cho thấy chưa phù hợp mơ hình gradient nhiệt tiêu chuẩn thiết kế cầu [4] mặt cắt dầm hộp Trong mơ hình tiêu chuẩn, phần gradient nhiệt âm khu vực đáy dầm để Hình 12b thể biến thiên nhiệt độ theo phương ngang thành dầm Hình cho thấy, chịu giảm nhiệt độ môi trường, gradient nhiệt âm lớn xảy khoảng 20 cm cùng, tương tự mặt cầu đáy dầm Như vậy, thấy rằng, tác động giảm nhiệt độ 766 Transport and Communications Science Journal, Vol 73, Issue (10/2022), 752-768 môi trường, mặt cắt dầm hộp chịu gradient nhiệt âm đồng phía phần chiều dày mặt cắt bê tông chịu gradient nhiệt âm lớn không nhiều KẾT LUẬN Nhằm xác định gradient nhiệt dầm cầu bê tơng cốt thép có mặt cắt dạng hộp, bên cạnh việc quan trắc thời gian dài, nghiên cứu mô thực Việc mô thực theo hai bước (a) mơ đối chứng nhằm mục đích kiểm tra hiệu chỉnh mơ hình tính dựa số liệu quan trắc thực tế (b) mô dự đốn để tính tốn, xác định phân bố nhiệt độ dầm cầu với liệu môi trường chọn tương đối cực đoan Điểm đặc biệt mơ hình mơ nghiên cứu việc xem xét tác động thành phần tán xạ phân bố quanh mặt trời theo quỹ đạo mặt trời Bên cạnh đó, với việc sử dụng phần mềm COMSOL có hiệu suất tính tốn cao nên tần suất lấy liệu đủ nhỏ để phản ánh thay đổi xạ mặt trời lên phận kết cấu Dù số kịch mô chưa nhiều kết từ chúng quán với kết quan trắc thực địa nước ta phù hợp với công bố nhiều nhà khoa học khác giới Một số kết luận có từ kết mô  Sự phân bố nhiệt độ theo phương đứng trường hợp nhiệt độ môi trường xạ mặt trời lớn, bản, phù hợp với mơ hình gradient nhiệt dương tiêu chuẩn thiết kế Một số giá trị tuyệt đối tính tốn có khác biệt định so với số liệu khuyến nghị tiêu chuẩn thiết kế  Trong trường hợp nhiệt độ môi trường giảm với xạ mặt trời không đáng kể, gradient nhiệt âm theo phương đứng tính tốn có vùng gần mặt vùng gần mặt dầm cầu Kết phù hợp với số liệu quan trắc nước cơng bố nước ngồi có khác biệt với mơ hình gradient nhiệt âm tiêu chuẩn thiết kế cầu TCVN 11823:2017, gradient nhiệt âm đáy dầm coi không (=0)  Gradient nhiệt theo phương ngang thành dầm có giá trị lớn vùng gần bề mặt ngồi Trong dầm cầu có cong xon mặt cầu lớn thành dầm nghiêng, thời gian thành dầm chịu ảnh hưởng lớn gradient nhiệt theo phương ngang ngắn, khoảng chiều sâu mặt cắt chịu ảnh hưởng không nhiều  Cần phải thực nghiên cứu, phân tích để đánh giá đầy đủ ứng xử tổng thể cục kết cấu tác động gradient nhiệt theo phương ngang gradient nhiệt âm đáy dầm đại lượng chưa phản ánh tiêu chuẩn thiết kế LỜI CẢM ƠN Nghiên cứu tài trợ Bộ Giao thông vận tải đề tài mã số DT214005 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] R A Imbsen, R A Vandershaf, Thermal Effects in Concrete Bridge Superstructure, NCHRP Report 276, 1985 [2] J Hejnic, Effect of temperature changes on prestressed concrete bridges, 7th F.I.P Congress, New York, 1974 [3] S R Abid, N Tayşi, M Ozakỗa, Experimental analysis of temperature gradients in concrete boxgirders, Construction and Building Materials, 106 (2022) 523-532 https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2015.12.144 767 Tạp chí Khoa học Giao thông vận tải, Tập 73, Số (10/2022), 752-768 [4] Bộ Khoa học Công nghệ, Bộ Giao thông vận tải, TCVN 11823 - 3:2017, 2017 [5] Ngơ Đăng Quang, Nguyễn Huy Cường, Mai Đình Lộc, Đinh Hữu Tài, Lê Minh Cảnh, Quan trắc biến thiên nhiệt độ mô ảnh hưởng chúng đến phân bố ứng suất số cầu dầm hộp bê tông cốt thép giai đoạn khai thác Tạp chí Khoa học Giao thơng vận tải, 73 (2022) 253267 https://doi.org/10.47869/tcsj.73.3.4 [6] J Liu, Y J Liu, G L Liu, N Zhang, Measurement and simulation of temperature field of concrete box girder in northwest severely cold area, Journal of Highway and Transportation Research and Development, 12 (2018) 37-45 https://doi.org/10.1061/JHTRCQ.0000638 [7] X.W Sheng, T Zhou, S Huang, C Cai, T Shi, Prediction of vertical temperature gradient on concrete box-girder considering different locations in China, Case Studies in Construction Materials, 16 (2022) e01026 https://doi.org/10.1016/j.cscm.2022.e01026 [8] COMSOL Inc, COMSOL Multiphysics Reference Manual, version 6.0, www.comsol.com [9] J A Duffie, W A Beckman, Solar engineering of thermal processes, John Wiley & Sons, 2013 [10].M M Elbadry, A Ghali, Temperature variations in concrete bridges, Journal of structural engineering, 109 (1983) 2355-2374 https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9445(1983)109:10(2355) [11].Y Lu, D Li, K Wang, S Jia, Study on solar radiation and the extreme thermal effect on concrete box girder bridges, applied sciences, 11 (2021) 6332 https://doi.org/10.3390/app11146332 [12].N Tayşi, S Abid, Temperature distributions and variations in concrete box-girder bridges: experimental and finite element parametric studies, Advances in Structural Engineering, 18 (2015) 469-486 https://doi.org/10.1260/1369-4332.18.4.469 [13].W H Dilger, A Ghali, M Chan, M S Cheung, M A Maes, Memperature stresses in composite box girder bridges, Journal of Structural Engineering, 109 (1983) 1460-1478 [14].A M Ibrahim, Three-dimensional thermal analysis of curved concrete box girder bridges, Master thesis, Concordia University, 1995 [15].Aviation Weather Center, Weather database, https://aviationweather.gov/ (truy cập ngày 15 tháng năm 2022) [16].COMSOL Inc, Sun's radiation effect on two coolers placed under a parasol, https://comsol.com/model/sun-s-radiation-effect-on-two-coolers-placed-under-a-parasol-12825 (truy cập ngày 15 tháng năm 2022) [17].P Pan, S Wu, X Hu, Gang Liu, B Li, Effect of material composition and environmental condition on thermal characteristics of conductive asphalt concrete, Material 10 (2017) 218 https://doi.org/10.3390/ma10030218 [18].C L R Wollman, J E Breen, J Cawrse, Measurements of thermal gradients and their effects on segmental concrete bridge, Journal of Bridge Engineering, (2002) 166-174 https://doi.org/10.1061/(ASCE)1084-0702(2002)7:3(166) [19].Bộ Xây dựng, QCVN 02:2021/BXD, Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia số liệu điều kiện tự nhiên dùng xây dựng, 2021 [20].B Gu, Z J Chen, X.D Chen, Temperature gradients in concrete box girder bridge under effect of cold wave, Journal of Central South University, 21 (2014) 1227-1241 https://doi.org/10.1007/s1177101420576 [21].Cập nhật số liệu khảo sát cường độ xạ mặt trời Việt Nam, Tạp chí Năng lượng Việt Nam (https://nangluongvietnam.vn) [22].S R Abid, M ệzakỗa, Temperature records in concrete box-girder segment subjected to solar radiation and air temperature changes, Materials science and engineering, 870 (2020) 012074, https://doi.org/10.1088/1757-899X/870/1/012074 [23] NDOT Research Report, Thermal gradients in the southwestern united states and the effect on bridge bearing loads, Report No 224-14-803, May 2017 768 ... hình phân bố nhiệt độ (gradient nhiệt) dầm cầu BTCT có mặt cắt dạng hộp nước ta TỔNG QUAN VỀ NGUYÊN TẮC TÍNH TỐN NHIỆT ĐỘ TRONG KẾT CẤU Ở GIAI ĐOẠN KHAI THÁC Trong giai đoạn khai thác, thay đổi nhiệt. .. 752-768 Tạp chí Khoa học Giao thơng vận tải NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG SỰ PHÂN BỐ NHIỆT ĐỘ TRONG DẦM CẦU BÊ TƠNG CỐT THÉP CĨ MẶT CẮT DẠNG HỘP Ở GIAI ĐOẠN KHAI THÁC Ngô Đăng Quang1, Nguyễn Huy Cường1*,... Tác động nhiệt độ nguyên nhân gây nứt cho cơng trình cầu bê tơng, đặc biệt ảnh hưởng từ xạ mặt trời Bài báo trình bày kết mô xác định phân bố nhiệt độ dầm cầu bê tơng cốt thép có mặt cắt dạng hộp