Luận án tiến sĩ nghiên cứu kết cấu và công nghệ chế tạo cầu máng xi măng lưới thép ứng suất trước nhịp lớn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI PHẠM CAO TUYẾN NGHIÊN CỨU KẾT CẤU VÀ CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO CẦU MÁNG XI MĂNG LƯỚI THÉP ỨNG SUẤT TRƯỚC NHỊP LỚN LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI, NĂM 2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI PHẠM CAO TUYẾN NGHIÊN CỨU KẾT CẤU VÀ CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO CẦU MÁNG XI MĂNG LƯỚI THÉP ỨNG SUẤT TRƯỚC NHỊP LỚN Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng cơng trình thủy Mã số: 62.58.02.02 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS VŨ HOÀNG HƯNG PGS.TS TRẦN MẠNH TUÂN HÀ NỘI, NĂM 2017 LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan công trình nghiên cứu thân tác giả Các kết nghiên cứu kết luận luận văn trung thực, không chép từ nguồn hình thức Việc tham khảo nguồn tài liệu (nếu có) thực trích dẫn ghi nguồn tài liệu tham khảo quy định Tác giả luận án Phạm Cao Tuyến i LỜI CÁM ƠN Sau thời gian thực hiện, với nỗ lực thân với giúp đỡ tận tình Thầy bạn bè đồng nghiệp, Luận án tiến sĩ: “Nghiên cứu kết cấu công nghệ chế tạo cầu máng xi măng lưới thép ứng suất trước nhịp lớn” hoàn thành Tác giả xin chân thành cảm ơn đến Ban Giám Hiệu, Phòng đào tạo Đại học Sau đại học, Bộ mơn Kết cấu cơng trình, Khoa Cơng trình, Trường Đại học Thuỷ Lợi giúp đỡ tạo điều kiện tốt cho NCS thời gian thực Luận án Tác giả xin chân thành cảm ơn hướng dẫn, giúp đỡ tận tình PGS.TS.Vũ Hồng Hưng, PGS.TS.Trần Mạnh Tuân đặc biệt tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến cố PGS.TS Vũ Thành Hải tận tình hướng dẫn tác giả từ ngày đầu có ý kiến quý báu trình thực Luận án Các Thầy tạo điều kiện tốt cho NCS q trình học tập hồn thành Luận án Tác giả chân thành cám ơn đồng nghiệp bạn bè nhiệt tình giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả trình học tập thực Luận án Do lực thân nhiều hạn chế, chắn Luận án khơng tránh khỏi thiếu sót Tác giả kính mong Thầy Cơ bảo, đồng nghiệp đóng góp ý kiến để tác giả hồn thiện, tiếp tục nghiên cứu phát triển đề tài ii MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH ix DANH MỤC BẢNG BIỂU xii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ GIẢI THÍCH THUẬT NGỮ xiv MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết đề tài Mục tiêu nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu 4 Cách tiếp cận phương pháp nghiên cứu 5 Ý nghĩa khoa học thực tiễn Cấu trúc Luận án .6 CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ CẦU MÁNG XI MĂNG LƯỚI THÉP ỨNG SUẤT TRƯỚC NHỊP LỚN 1.1 Tổng quan cầu máng xi măng lưới thép 1.1.1 Khái quát chung .7 1.1.2 Các hình dạng kết cấu cầu máng xi măng lưới thép 1.1.2.1 Các hình dạng kết cấu thân máng 1.1.2.2 Thân máng có mặt cắt ngang hình chữ U .9 1.1.2.3 Hình dạng kết cấu gối đỡ 10 1.1.2.4 Hình thức kết cấu khe co giãn .11 1.1.3 Phương pháp tính tốn cầu máng xi măng lưới thép 12 1.1.3.1 Tải trọng tổ hợp tải trọng 12 1.1.3.2 Phân tích nội lực kết cấu thân máng xi măng lưới thép .13 1.1.3.3 Tính tốn bố trí thép thân máng 14 1.2 Tổng quan cầu máng xi măng lưới thép nhịp lớn 14 1.2.1 Khái quát cầu máng xi măng lưới thép nhịp lớn 14 1.2.2 Tính tốn cầu máng xi măng lưới thép nhịp lớn 15 1.3 Tổng quan cầu máng xi măng lưới thép ứng suất trước nhịp lớn 16 1.3.1 Khái quát cầu máng xi măng lưới thép ứng suất trước nhịp lớn 16 1.3.2 Phương pháp tạo ứng suất trước 17 iii 1.3.2.1 Phương pháp căng trước .17 1.3.2.2 Phương pháp căng sau 18 1.3.3 Tính tốn cầu máng xi măng lưới thép ứng suất trước .18 1.3.3.1 Ứng suất kéo trước giới hạn 18 1.3.3.2 Tổn hao ứng suất trước 19 1.3.4 Phân tích ứng suất cầu máng xi măng lưới thép ứng suất trước 22 1.3.4.1 Đặc điểm cấu tạo 22 1.3.4.2 Trạng thái ứng suất theo phương dọc máng 22 1.4 Tổng quan công nghệ chế tạo cầu máng xi măng lưới thép 25 1.4.1 Công nghệ trát tay .25 1.4.2 Công nghệ phun vữa 26 1.4.3 Công nghệ rung bàn rung .27 1.4.4 Nhận xét công nghệ chế tạo .27 1.5 Tổng quan tình hình nghiên cứu cầu máng xi măng lưới thép ứng suất trước nước 28 1.5.1 Tình hình chung 28 1.5.2 Những nghiên cứu cầu máng xi măng lưới thép 29 1.5.3 Những nghiên cứu cầu máng bê tông cốt thép ứng suất trước .30 1.6 Những vấn đề cần nghiên cứu đặt Luận án 33 1.7 Kết luận Chương .35 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG CẦU MÁNG XI MĂNG LƯỚI THÉP ỨNG SUẤT TRƯỚC NHỊP LỚN 36 2.1 Đặt vấn đề 36 2.2 Lập trình tính tốn ứng suất biến dạng cầu máng xi măng lưới thép ứng suất trước nhịp lớn ngơn ngữ lập trình tham số APDL ANSYS 37 2.2.1 Mô tả kết cấu cầu máng chữ U 37 2.2.2 Mơ hình hóa kết cấu cầu máng xi măng lưới thép ứng suất trước 37 2.2.3 Lập trình tính kết cấu cầu máng ngơn ngữ APDL 39 2.2.4 Tính tốn chuyển vị, ứng suất cầu máng xi măng lưới thép ứng suất trước .39 2.2.4.1 Số liệu tính tốn CM-XMLT-ƯST .39 2.2.4.2 Kết tính tốn chuyển vị ứng suất CM-XMLT-ƯST 40 iv 2.2.4.3 Nhận xét kết tính tốn 44 2.2.5 Tính tốn chuyển vị, ứng suất cầu máng xi măng lưới thép thường 44 2.2.5.1 Số liệu tính tốn CM-XMLT thường 44 2.2.5.2 Kết tính tốn chuyển vị ứng suất CM-XMLT thường .45 2.2.5.3 Nhận xét kết tính tốn 47 2.2.6 Kiểm tra độ tin cậy chương trình 47 2.2.6.1 Kết tính tốn chuyển vị, ứng suất cầu máng XMLT ứng suất trước 48 2.2.6.2 Kết tính tốn chuyển vị ứng suất cầu máng XMLT thường .49 2.3 Lập bảng tra chuyển vị ứng suất cầu máng mặt cắt chữ U 50 2.3.1 Số liệu tính tốn cầu máng xi măng lưới thép nhịp lớn 50 2.3.2 Bảng tra chuyển vị, ứng suất cầu máng xi măng lưới thép ứng suất trước .52 2.4 Bảng tra chuyển vị ứng suất cầu máng xi măng lưới thép thường 58 2.5 Lựa chọn sơ kích thước cầu máng xi măng lưới thép nhịp lớn .60 2.5.1 Nguyên tắc chung 60 2.5.2 Lựa chọn kích thước phận cầu máng 62 2.5.2.1 Kích thước tai máng .62 2.5.2.2 Kích thước giằng 62 2.5.2.3 Khoảng cách giằng .62 2.6 Tính tốn cầu máng xi măng lưới thép ứng suất trước .63 2.6.1 Chọn hình thức kết cấu cầu máng .63 2.6.2 Chọn thép ứng suất trước 65 2.6.3 Tính tổn hao ứng suất trước 65 2.6.4 Kết tính tốn ứng suất thời gian khai thác 68 2.6.5 Bố trí cốt thép 69 2.7 Kết luận Chương .69 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO CẦU MÁNG XI MĂNG LƯỚI THÉP NHỊP LỚN BẰNG PHƯƠNG PHÁP RUNG ÁP VÁN KHUÔN 72 3.1 Đặt vấn đề 72 v 3.2 Xác định vùng ảnh hưởng máy rung 73 3.2.1 Lựa chọn loại máy rung .73 3.2.2 Phạm vi ảnh hưởng máy rung 74 3.3 Lựa chọn sơ đồ bố trí máy rung cầu máng xi măng lưới thép nhịp lớn 76 3.3.1 Bố trí máy rung 76 3.3.2 Phân tích chọn phương án bố trí máy 77 3.3.2.1 Phương án bố trí máy ván khuôn (sơ đồ 1) 77 3.3.2.2 Phương án bố trí máy ván khuôn (sơ đồ 2) 78 3.3.2.3 Phương án bố trí 11 máy ván khn (sơ đồ 3) 78 3.3.2.4 Phương án bố trí 13 máy ván khn (sơ đồ 4) 79 3.3.2.5 Kết luận chọn phương án bố trí máy 80 3.3.3 Tính tốn kiểm tra phương án chọn 80 3.3.3.1 Xây dựng mơ hình kết cấu ván khuôn 80 3.3.3.2 Kết tính tốn 81 3.3.3.3 Nhận xét kết tính tốn 86 3.3.3.4 Thời gian rung thực tế xưởng 86 3.3.4 Kiểm tra lại khoảng cách bố trí đầm rung 86 3.3.5 Nhận xét kiến nghị 86 3.3.5.1 Về kết nghiên cứu 86 3.3.5.2 Ưu điểm công nghệ chế tạo CM-XMLT phương pháp rung áp 87 3.4 Kết luận Chương .88 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM TẠI HIỆN TRƯỜNG ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG CẦU MÁNG XI MĂNG LƯỚI THÉP ỨNG SUẤT TRƯỚC NHỊP LỚN 89 4.1 Mục tiêu nội dung nghiên cứu thực nghiệm 89 4.1.1 Mục tiêu nghiên cứu 89 4.1.2 Nội dung thực nghiệm 89 4.2 Xây dựng mơ hình thực nghiệm 90 4.3 Thí nghiệm tiêu lý vật liệu xi măng lưới thép 90 4.3.1 Số lượng mẫu vật liệu xi măng lưới thép 90 vi 4.3.1.1 Mẫu thí nghiệm loại vật liệu lưới thép 91 4.3.1.2 Mẫu thí nghiệm thành phần cấp phối vữa xi măng lưới thép .91 4.3.2 Mẫu thí nghiệm kéo vật liệu xi măng lưới thép 92 4.3.2.1 Quy cách mẫu thí nghiệm kéo 92 4.3.2.2 Số lượng mẫu thí nghiệm kéo 92 4.3.3 Kết đo mẫu thí nghiệm vật liệu xi măng lưới thép 92 4.3.3.1 Dụng cụ thí nghiệm kéo 92 4.3.3.2 Kết thí nghiệm kéo mẫu vật liệu xi măng lưới thép 93 4.4 Thiết kế chế tạo mẫu thí nghiệm 93 4.4.1 Vật liệu 93 4.4.2 Mẫu thí nghiệm 93 4.4.3 Chế tạo mẫu thí nghiệm .94 4.5 Thực nghiệm trường ứng suất biến dạng cầu máng xi măng lưới thép ứng suất trước nhịp lớn 95 4.5.1 Các đại lượng cần đo 95 4.5.2 Thiết bị thí nghiệm 95 4.5.3 Bố trí thiết bị đo 96 4.5.4 Tiến hành thực nghiệm 98 4.6 Kết thực nghiệm cầu máng xi măng lưới thép ứng suất trước nhịp lớn 100 4.6.1 Ứng suất, biến dạng máng số 100 4.6.1.1 Kết đo ứng suất đáy máng 100 4.6.1.2 Kết đo ứng suất tai máng 102 4.6.1.2 Kết đo độ võng đáy máng 103 4.6.1.4 Nhận xét kết thực nghiệm cầu máng số 104 4.6.2 Ứng suất, biến dạng máng số 105 4.6.3 So sánh kết thực nghiệm cầu máng số máng số (L = 12m) 107 4.6.4 Ứng suất, biến dạng máng số 109 4.6.4.1 Kết đo ứng suất đáy máng mặt cắt nhịp 109 4.6.4.2 Kết đo ứng suất tai máng mặt cắt nhịp 110 4.6.4.3 Kết đo độ võng mặt cắt máng 111 4.6.4.4 Nhận xét kết thực nghiệm cầu máng số 112 vii 4.6.5 Đánh giá chung kết thực nghiệm cầu máng số 1, 2, 113 4.7 Xác định tổn hao ứng suất trước từ thực nghiệm .113 4.8 Kết luận Chương 115 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 117 Những kết đạt Luận án 117 Những đóng góp Luận án 118 Những tồn hướng nghiên cứu tiếp .119 Kiến nghị .119 DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ 120 TÀI LIỆU THAM KHẢO 121 PHỤ LỤC TÍNH TOÁN 124 PHỤ LỤC 1: CHƯƠNG TRÌNH TÍNH CM-XMLT-ƯST .125 PHỤ LỤC 2: BẢNG TRA CM-XMLT-ƯST 135 PHỤ LỤC 3: BẢNG TRA CM-XMLT THƯỜNG .153 PHỤ LỤC 4: PHƯƠNG ÁN BỐ TRÍ MÁY RUNG TRÊN VÁN KHUÔN 171 viii 160 3.5 CẦU MÁNG CM-E* (Do = 1,6 m; H = 1,8 m) Nhịp máng L (m) Thành phần tải trọng TLBT ALN TH1T Chuyển vị đứng đáy máng UY (mm) -0.2382 -0.4581 -0.6963 10 -0.4287 -1.2866 -1.7153 12 -0.7276 -2.7086 -3.4362 14 -1.1898 -4.9601 -6.1499 16 -1.8781 -8.3257 -10.2038 18 -2.8632 -13.1440 -16.0072 20 -4.2235 -19.7910 -24.0145 Ứng suất dọc đáy máng SZ (kN/m2) 512.31 1635.1 2147.41 10 708.01 2764.3 3472.31 12 955.89 4114.1 5069.99 14 1262.2 5723.4 6985.6 16 1628.5 7565.3 9193.8 18 2053.1 9679.8 11732.9 20 2533.5 12029 14562.5 Ứng suất dọc đỉnh máng SZ (kN/m ) -338.55 -1704.3 -2042.85 10 -536.72 -2749.9 -3286.62 12 -820.42 -3883.3 -4703.72 14 -1088.9 -5352.0 -6440.9 16 -1474.4 -7042.8 -8517.2 18 -1804.3 -8819.7 -10624 20 -2288.1 -11031 -13319.1 Ứng suất ngang đáy máng SX (kN/m ) 39.751 -1404.5 -1364.75 10 77.252 -1503.0 -1425.75 12 85.026 -1574.9 -1489.87 14 76.417 -1605.8 -1529.38 16 61.634 -1659.4 -1597.77 18 47.166 -1680.3 -1633.13 20 35.579 -1721.0 -1685.42 161 162 3.6 CẦU MÁNG CM-G* (Do = 1,8 m; H = 2,0 m) Nhịp máng L (m) Thành phần tải trọng TLBT ALN TH1T Chuyển vị đứng đáy máng UY (mm) -0.2603 -0.4208 -0.6811 10 -0.4571 -1.2762 -1.7333 12 -0.7353 -2.7153 -3.4506 14 -1.1408 -4.9430 -6.0838 16 -1.7273 -8.2189 -9.9462 18 -2.5547 -12.8620 -15.4167 20 -3.6898 -19.2290 -22.9188 Ứng suất dọc đáy máng SZ (kN/m2) 523.67 1624.7 2148.37 10 700.88 2789.0 3489.88 12 911.83 4166.3 5078.13 14 1169.4 5795.0 6964.4 16 1479.6 7651.2 9130.8 18 1844.0 9787.1 11631.1 20 2262.4 12168 14430.4 Ứng suất dọc đỉnh máng SZ (kN/m ) -287.55 -1788.3 -2075.85 10 -472.01 -2891.4 -3363.41 12 -743.52 -4116.9 -4860.42 14 -996.88 -5663.7 -6660.58 16 -1353.2 -7460.5 -8813.7 18 -1672.6 -9372.1 -11044.7 20 -2131.1 -11700 -13831.1 Ứng suất ngang đáy máng SX (kN/m ) -4.6467 -1854.6 -1859.25 10 71.952 -2007.9 -1935.95 12 108.21 -2083.0 -1974.79 14 115.84 -2119.3 -2003.46 16 106.31 -2175.8 -2069.49 18 88.490 -2222.2 -2133.71 20 68.986 -2287.9 -2218.91 163 164 3.7 CẦU MÁNG CM-H* (Do = 2,0 m; H = 2,2 m) Nhịp máng L (m) Thành phần tải trọng TLBT ALN TH1T Chuyển vị đứng đáy máng UY (mm) -0.2787 -0.3902 -0.6690 10 -0.5007 -1.2999 -1.8006 12 -0.7847 -2.8101 -3.5948 14 -1.1664 -5.0837 -6.2501 16 -1.6919 -8.3504 -10.0423 18 -2.4133 -12.9030 -15.3163 20 -3.3884 -19.0790 -22.4674 Ứng suất dọc đáy máng SZ (kN/m2) 538.25 1626.6 2164.85 10 716.59 2832.5 3549.09 12 906.87 4255.8 5162.67 14 1128.8 5909.4 7038.20 16 1393.2 7779.3 9172.50 18 1704.8 9916.0 11620.80 20 2066.2 12303 14369.20 Ứng suất dọc đỉnh máng SZ (kN/m ) -240.11 -1807.1 -2047.21 10 -405.54 -2996.2 -3401.74 12 -661.71 -4310.6 -4972.31 14 -905.67 -5912.6 -6818.27 16 -1254.0 -7884.8 -9138.80 18 -1552.2 -9848.3 -11400.50 20 -1986.0 -12377 -14363.00 Ứng suất ngang đáy máng SX (kN/m ) -86.898 -2418.4 -2505.30 10 31.425 -2652.4 -2620.98 12 107.24 -2729.0 -2621.76 14 144.54 -2747.9 -2603.36 16 153.73 -2778.7 -2624.97 18 144.12 -2824.1 -2679.98 20 124.14 -2900.6 -2776.46 165 166 3.8 CẦU MÁNG CM-I* (Do = 2,2 m; H = 2,4 m) Nhịp máng L (m) Thành phần tải trọng TLBT ALN TH1T Chuyển vị đứng đáy máng UY (mm) -0.2861 -0.3632 -0.6493 10 -0.5454 -1.3505 -1.8959 12 -0.8593 -2.9917 -3.8510 14 -1.2479 -5.3985 -6.6464 16 -1.7487 -8.7598 -10.5085 18 -2.4076 -13.3340 -15.7416 20 -3.2751 -19.4340 -22.7091 Ứng suất dọc đáy máng SZ (kN/m2) 545.02 1640.1 2185.12 10 740.88 2891.6 3632.48 12 928.05 4384.4 5312.45 14 1129.0 6085.7 7214.7 16 1359.3 7984.0 9343.3 18 1627.7 10122 11749.7 20 1939.3 12503 14442.3 Ứng suất dọc đỉnh máng SZ (kN/m ) -194.60 -1925.7 -2120.3 10 -338.65 -3061.2 -3399.85 12 -579.02 -4408.3 -4987.32 14 -811.24 -6088.3 -6899.54 16 -1145.1 -8116.5 -9261.6 18 -1434.3 -10232 -11666.3 20 -1853.5 -12934 -14787.5 Ứng suất ngang đáy máng SX (kN/m ) -203.01 -3121.1 -3324.11 10 -52.005 -3477.5 -3529.51 12 68.785 -3570.9 -3502.12 14 146.62 -3554.6 -3407.98 16 187.12 -3525.8 -3338.68 18 199.04 -3529.2 -3330.16 20 190.75 -3579.2 -3388.45 167 168 3.9 CẦU MÁNG CM-K* (Do = 2,4 m; H = 2,6 m) Nhịp máng L (m) Thành phần tải trọng TLBT Chuyển vị đứng đáy máng UY (mm) -0,00042 10 -0,00084 12 -0,00135 14 -0,00200 16 -0,00279 18 -0,00384 20 -0,00519 22 -0,00696 24 -0,00921 Ứng suất dọc đáy máng SZ (kN/m2) 605,682 10 846,913 12 1077,04 14 1316,88 16 1584,88 18 1892,14 20 2245,59 22 2649,03 24 3104,48 Ứng suất dọc đỉnh máng SZ (kN/m2) -237,155 10 -363,6 12 -668,286 14 -921,679 16 -1319,38 18 -1648,93 20 -2158,64 22 -2531,9 24 -3154,23 Ứng suất ngang đáy máng SX (kN/m2) -325,4 10 -161,447 12 -14,5177 14 90,3343 16 153,283 18 181,756 20 183,988 22 168,026 24 140,873 169 ALN TH1T -0,00100 -0,00269 -0,00528 -0,00891 -0,01384 -0,02043 -0,02914 -0,04049 -0,05503 -0,00142 -0,00353 -0,00663 -0,01091 -0,01663 -0,02427 -0,03433 -0,04745 -0,06424 2199,57 3566,88 5136,91 6891,22 8839,96 11027,5 13470,3 16205,6 19233,6 2805,22 4413,79 6213,95 8208,10 10424,84 12919,64 15715,89 18854,63 22338,08 -3429,28 -2157,09 -6363,83 -5521,63 -10363,7 -9979,94 -15610,6 -15534,5 -21910,9 -3666,435 -2520,69 -7032,116 -6443,309 -11683,08 -11628,87 -17769,24 -18066,4 -25065,13 -2897,73 -3010,48 -2905,1 -2737,71 -2599,68 -2532,76 -2541,0 -2613,13 -2729,47 -3250,13 -3171,927 -2919,618 -2647,376 -2446,397 -2351,004 -2357,012 -2445,104 -2588,597 170 PHỤ LỤC 4: PHƯƠNG ÁN BỐ TRÍ MÁY RUNG TRÊN VÁN KHN 4.1 PHƯƠNG ÁN BỐ TRÍ MÁY TRÊN VÁN KHN 171 4.2 PHƯƠNG ÁN BỐ TRÍ MÁY TRÊN VÁN KHN 172 4.3 PHƯƠNG ÁN BỐ TRÍ 11 MÁY TRÊN VÁN KHUÔN 173 4.4 PHƯƠNG ÁN BỐ TRÍ 13 MÁY TRÊN VÁN KHN 174