Nghiên cứu ứng dụng kết cấu ống thép nhồi bêtông vào kết cấu nhịp vòm dầm liên hợp,luận án thạc sĩ khoa học kỹ thuật chuyên ngành cầu hầm

Luận án Thạc sỹ KHKT Chuyên ngành Cầu Hầm Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng kết cấu ống thép nhồi bêtông vào kết cấu nhịp cầu vòm - dầm liên hợp Chương Tổng quan kết cấu cầu vòm ống thép nhồi bêtông 1.1 Tổng quan cầu vòm: Trong năm gần với phát triển mạnh mẽ sở hạ tầng giao thông vận tải giới nói chung Việt Nam nói riêng Việc áp dụng công nghệ xây dựng cầu trở thành phổ biến đà mang lại thành công đáng kể Bên cạnh việc thiết kế cầu vượt nhịp lớn qua sông phải kể đến vẻ đẹp kiến trúc cầu Các loại cầu đà đạt điều cầu treo dây văng, cầu treo dây võng, cầu dầm liên tục cầu vòm Cầu vòm loại kết cấu sử dụng sớm chịu tải kết cấu chủ yếu chịu nén phù hợp với vật liệu gạch, đá, bêtông Khi lựa chọn dạng đường trục vòm hợp lý cho trùng với đường cong áp lực tránh mômen uốn vòm tĩnh tải Trong kỷ 17 - 18 nước đà xây dựng nhiều cầu vòm đá với chiều dài nhịp nhỏ 20m Khi bêtông cốt thép phát triển người ta đà xây dựng cầu Vòm bêtông cốt thép nhịp lớn hơn, thi công đúc đà giáo, chiều dài nhịp từ 100 300m Cho đến cầu Vòm bêtông cốt thép xây dựng nhịp đặc biệt lớn cầu Wanxian Quảng Châu (Trung Quốc) có nhịp dài 420m, xây dựng năm 1997 Từ đầu kỷ 20, cầu vòm ống thép nhồi bêtông sử dụng, với loại cầu nhỏ có độ nhịp từ 15 - 60m Trong năm gần với nghiên cứu ứng dụng kết cấu ống thép nhồi bêtông vào kết cấu cầu vòm liên hợp độ cầu tăng lên, Lnhịp > 100m Những cầu vòm liên hợp ống thép nhồi bêtông đà xây dựng như: cầu Tân Vương tỉnh Triết Giang Học viên thực hiện: Lê Trần Nam Trang Luận án Thạc sỹ KHKT Chuyên ngành Cầu Hầm Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng kết cấu ống thép nhồi bêtông vào kết cấu nhịp cầu vòm - dầm liên hợp (Trung Quốc) có nhịp vòm (55.25 + 80 + 55.25)m, cầu Cảng Xiên thành phố Tô Châu (Trung Quốc) có chiều dài nhịp 100.5m Việt Nam, đà xây dựng số cầu đồng sông Cửu Long cầu Cần Giuộc; cầu Ông Lớn thành phố Hồ Chí Minh chiều dài nhịp 90m Có thể phân loại cầu Vòm theo phương diện sau: + Phân loại theo cao độ đường xe chạy + Phân loại theo cầu có lực đẩy ngang + Phân loại theo vật liệu kết cấu vòm 1.1.1 Phân loại theo cao độ đường xe chạy: 1.1.1.1 Cầu vòm có đường xe chạy trên: (Hình 1.1, 1.2, 1.3) Hình 1.1: Dạng sơ đồ cầu có đường xe chạy Hình 1.2: Cầu vòm khung BTCT có đường xe chạy Hình 1.3: Cầu vòm BTCT có đường xe chạy Học viên thực hiện: Lê Trần Nam Trang Luận án Thạc sỹ KHKT Chuyên ngành Cầu Hầm Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng kết cấu ống thép nhồi bêtông vào kết cấu nhịp cầu vòm - dầm liên hợp Vòm phần chịu lực chính, đỡ toàn phần mặt cầu xe chạy Kết cấu vòm bêtông, thép, đá, ống thép nhồi bêtông Với kết cấu vòm có đường xe chạy vượt độ lớn áp dụng cho loại đường xe chạy có mức chênh cao lớn so với đường tự nhiên Về hình dạng kiến trúc: đẹp, áp dụng cho cầu thành phố, qua nơi danh lam thắng cảnh, di tích lịch sử, qua thung lũng sâu Nói chung, cầu vòm có đường xe chạy tiết kiệm vật liệu khoảng cách sườn vòm lấy nhỏ bề rộng mặt cầu Kích thước mố trụ lấy nhỏ hơn, cấu tạo mặt cầu đơn giản 1.1.1.2 Cầu vòm có đường xe chạy giữa: (Hình 1.4, 1.5, 1.6) Hình 1.4: Dạng sơ đồ cầu có đường xe chạy Hình 1.5: Cầu vòm BTCT liên hợp có đường xe chạy Hình 1.6: Cầu vòm thép liên hợp có đường xe chạy Học viên thực hiện: Lê Trần Nam Trang Luận án Thạc sỹ KHKT Chuyên ngành Cầu Hầm Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng kết cấu ống thép nhồi bêtông vào kết cấu nhịp cầu vòm - dầm liên hợp Phần chịu lực vòm dầm - vòm liên hợp chịu lực Cũng tương tự cầu vòm có xe chạy trên, kết cấu vòm đa dạng bêtông, thép, ống thép nhồi bêtông Với kết cấu vòm có xe chạy vượt cầu có nhịp lớn Lnhịp > 100m, áp dụng cho nhiều loại địa hình khác Về hình dạng kiến trúc: đẹp, áp dụng cho cầu thành phố, áp dụng vào loại cầu phục vụ du lịch Nhược điểm có cấu tạo phức tạp mố trụ phải chịu lực đẩy ngang lớn, không phù hợp với vùng có đất yếu 1.1.1.3 Cầu vòm có đường xe chạy dưới: (Hình 1.7, 1.8, 1.9) Hình 1.7: Dạng sơ đồ cầu có đường xe chạy Hình 1.8: Cầu vòm ống thép nhồi bêtông có đường xe chạy Hình 1.9: Cầu Ông Lớn - Thành phố Hồ Chí Minh Học viên thực hiện: Lê Trần Nam Trang Luận án Thạc sỹ KHKT Chuyên ngành Cầu Hầm Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng kết cấu ống thép nhồi bêtông vào kết cấu nhịp cầu vòm - dầm liên hợp Thường áp dụng hệ dầm - vòm liên hợp, tuỳ vào độ cứng dầm vòm tham gia chịu lực Kết cấu vòm bêtông cốt thép, kết cấu thép Hệ kết cấu dầm - vòm liên hợp hệ nội siêu tĩnh không lực đẩy ngang tương tự dầm giản đơn kê lên mố trụ, hệ siêu tĩnh với có lực đẩy ngang vòm chôn mố trụ Kết cấu vòm có xe chạy vượt độ từ 40 ~ 100m (120m) Gần cầu vòm có đường xe chạy áp dụng loại cầu vòm liên hợp dây treo với vòm ống thép nhồi bêtông Loại kết cấu tiết kiệm vật liệu thép hạ giá thành công trình, thi công tương đối đơn giản Vì áp dụng công nghệ thi công hẫng cho vòm Để lựa chọn kết cấu cầu vòm theo đường xe chạy trên, chạy dưới, chạy phụ thuộc nhiều yếu tố Về địa hình, địa chất, kiến trúc, giá thành công trình, vị trí xây dựng công trình Với cầu vòm thành phố cầu vòm có đường xe chạy d­íi lµ ­u viƯt nhÊt, cã chiỊu cao kiÕn trúc thấp, chiều cao đường hai đầu cầu thấp dẫn đến việc giải phóng mặt giảm đáng kể Và khối lượng đường hai đầu cầu giảm dẫn tới hạ giá thành công trình 1.1.2 Phân loại theo vật liệu kết cấu cầu vòm: 1.1.2.1 Cầu vòm bêtông cốt thép: (Hình 1.10, 1.11) Cầu vòm kết cấu chủ yếu chịu nén nên thích hợp với vật liệu đá xây, bêtông, bêtông cốt thép Hình 1.10: Cầu vòm bêtông cốt thép Học viên thực hiện: Lê Trần Nam Trang Luận án Thạc sỹ KHKT Chuyên ngành Cầu Hầm Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng kết cấu ống thép nhồi bêtông vào kết cấu nhịp cầu vòm - dầm liên hợp Việc áp dụng bêtông cốt thép vào cầu vòm giảm kích thước tiết diện, giảm trọng lượng thân so với cầu vòm đá xây bêtông Hình 1.11: Xây dựng cầu vòm bêtông cốt thép Cấu tạo: Kết cấu chịu lực chủ yếu cầu vòm kết cấu vòm có cấu tạo đa dạng (cuốn vòm, sườn vòm ) Nói chung cong cong mà hai đầu liên kết chốt liên kết ngàm với mố trụ cầu để chúng chuyển vị theo hướng ngang Mỗi sườn vòm liên kết ngang với Mỗi vòm thường đủ rộng nên có đủ ổn định ngang áp dụng cho cầu vượt sông, vượt độ lớn Lnhịp > 100m, cầu đường ôtô cầu đường sắt Ưu điểm: Cầu vòm bêtông cốt thép có tác động tĩnh tải hoạt tải thẳng đứng lên kết cấu nhịp gây trụ mố lực đẩy ngang gây vòm lực nén, mômen uốn, lực cắt Vì cầu có hoạt tải chạy qua nên tránh xuất mômen uốn vòm hoạt tải Kết mặt cắt vòm chịu nén lệch tâm Điều kiện làm việc tương đối phù hợp với tính chất vật liệu bêtông chịu nén tốt Khi thiết kế cách hợp lý trị số mômen uốn vòm không lớn Do kết cấu nhịp vòm tiết kiệm vật liệu kết cấu nhịp dầm có trị số độ tải trọng (xét riêng biệt mặt vật liệu làm kết cấu nhịp) Nhược điểm: Trong kết cấu cầu vòm bêtông cốt thép lực đẩy ngang chân vòm truyền lên trụ lớn, phải tăng kích thước móng Học viên thực hiện: Lê Trần Nam Trang Luận án Thạc sỹ KHKT Chuyên ngành Cầu Hầm Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng kết cấu ống thép nhồi bêtông vào kết cấu nhịp cầu vòm - dầm liên hợp tăng khối lượng làm mố trụ Khuyết điểm chung phần lớn cầu vòm bêtông cốt thép đà xây dựng trước phải tốn nhiều vật liệu, công lao động thời gian để làm đà giáo vòm công trình phụ tạm khác phục vụ thi công vòm Một số cầu vòm đà thi công lắp hẫng hay đúc bêtông hẫng công nghệ thi công phức tạp so với thi công kết cấu nhịp dầm hay khung 1.1.2.2 Cầu vòm liên hợp sử dụng kết cấu ống thép nhồi bêtông: Hình 1.12: Chính diện cầu Cần Giuộc Hình 1.13: Toàn cảnh cầu Cần Giuộc Cấu tạo: vành vòm cấu tạo ống thép nhồi bêtông, kết cấu hỗn hợp gồm ống thép lõi bêtông làm việc Các đoạn ống thép sau lắp ráp nhồi bêtông vào ống thép Dầm bêtông cốt thép chịu kéo uốn tải trọng khai thác tải trọng tĩnh tác động Dầm bêtông cốt thép đúc sẵn sau đem công trường lắp ráp Vòm liên hợp với dầm qua treo thẳng đứng thép cường độ cao áp dụng cho nhịp từ 60 ~ 100m (120m); cho cầu thành phố, đáp ứng yêu cầu kiến trúc cho sông có thông thuyền Học viên thực hiện: Lê Trần Nam Trang Luận án Thạc sỹ KHKT Chuyên ngành Cầu Hầm Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng kết cấu ống thép nhồi bêtông vào kết cấu nhịp cầu vòm - dầm liên hợp Cầu vòm ống thép nhồi bêtông có ưu điểm: Bêtông ống cách li với môi trường xung quanh tạo điều kiện tốt cho làm việc chịu tải trọng, lúc bêtông ống bị nén ba chiều phát huy hết khả làm việc Việc nhồi bêtông vào ống thép đà nâng cao độ bền ăn mòn, chống gỉ mặt Làm giảm độ mảnh cấu kiện, làm tăng độ ổn định cục thành ống, làm tăng sức chống móp vỏ chỗ nối bị va đập trình vận chuyển, lắp ráp Mặt kết cấu ống nhồi bêtông nhỏ khoảng nửa mặt kết cấu thép cán, chi phí sơn bảo dưỡng so với cầu vòm thép Trọng lượng cấu kiện ống thép chưa nhồi bêtông nhỏ so với cấu kiện bêtông cốt thép làm cho việc vận chuyển lắp ráp dễ dàng Lượng thép dùng ống tròn nhồi bêtông so với kết cấu bêtông cốt thép thông thường giá thành kết cấu ống nhồi bêtông so với kết cấu bêtông cốt thép Do đặc điểm nói trên, cầu vòm làm ống thép nhồi bêtông xem có lợi làm cầu vượt qua nhịp khoảng 100m Nhược điểm: phức tạp việc chế tạo vỏ xoắn kết cấu ống thép nhồi bêtông đòi hỏi phải có thiết bị chuyên dụng Lớp bảo vệ đường xoắn phải kiểm tra chặt chẽ để đảm bảo đủ độ tin cậy, có biến dạng có cố vị trí lớp bảo vệ đường xoắn toàn cấu kiện bị phá huỷ 1.1.3 Phân loại theo cầu vòm chịu lực đẩy ngang: 1.1.3.1 Cầu vòm chịu lực đẩy ngang: Cầu vòm chịu lực đẩy ngang có tác động tĩnh tải hoạt tải thẳng đứng tác dụng lên kết cấu nhịp gây mố trụ lực đẩy ngang (khi không bố trí dây kéo ngang hai đầu chân vòm) Chỉ áp dụng cho nơi có địa chất tốt phải bố trí thêm căng thép cường độ cao để chịu kéo Học viên thực hiện: Lê Trần Nam Trang Luận án Thạc sỹ KHKT Chuyên ngành Cầu Hầm Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng kết cấu ống thép nhồi bêtông vào kết cấu nhịp cầu vòm - dầm liên hợp Nhược điểm: Do lực đẩy ngang chân vòm truyền lên mố trụ lớn, phải tăng kích thước móng tăng khối lượng vật liệu làm mố trụ Trường hợp đất yếu phí tổn xây dựng mố trụ cầu vòm lớn 1.1.3.2 Cầu vòm không lực đẩy ngang: (Hình 1.14) Hình 1.14: Sơ đồ cầu vòm không lực đẩy ngang Cấu tạo: cầu có bố trí căng (dầm cứng dây kéo) hai chân vòm để chịu lực đẩy ngang Mố trụ làm việc giống mố trụ cầu dầm, tức có tác động tĩnh tải hoạt tải thẳng đứng tác dụng lên kết cấu nhịp không gây mố trụ lực đẩy ngang áp dụng cho tất loại địa hình, địa chất phức tạp có Lnhịp < 100m Ưu điểm: Do mố trụ không chịu ảnh hưởng lực đẩy ngang lớn nên sử dụng đất yếu Mè trơ cã kÝch th­íc nhá nªn tiÕt kiƯm vËt liệu Nhược điểm: Tuy lực đẩy ngang xuống mố trụ nội lực chân vòm lớn, nên phải bố trí thép cấu tạo đầu dầm cứng ®Ĩ tr¸nh øng st cơc bé 1.1.4 KÕt ln: ViƯc sử dụng kết cấu cầu vòm ống thép nhồi bêtông liên hợp với dầm bêtông cốt thép thông qua hệ dây treo có đường xe chạy có nhiều ưu điểm Vượt độ lớn, xây dựng nơi có địa chất phức tạp, cho phép ứng dụng công nghệ đảm bảo mỹ quan Luận án tập trung nghiên cứu kết cấu cầu vòm ống thép nhồi bêtông liên hợp với dầm bêtông cốt thép thông qua hệ dây treo có đường xe chạy Học viên thực hiện: Lê Trần Nam Trang Luận án Thạc sỹ KHKT Chuyên ngành Cầu Hầm Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng kết cấu ống thép nhồi bêtông vào kết cấu nhịp cầu vòm - dầm liên hợp 1.2 Tổng quan kết cấu ống thép nhồi bêtông: 1.2.1 Đặc điểm, phạm vi áp dụng kết cấu ống thép nhồi bêtông: Thanh ống nhồi bêtông kết cấu hỗn hợp gồm ống thép lõi bêtông làm việc Kết cấu có nhiều ưu điểm Độ bền chịu nén lõi bêtông có lớp vỏ thép làm áo bọc chặt đà tăng khoảng hai lần so với lõi thông thường Theo nghiên cứu [5] ®· chøng tá r»ng ®¸ng lÏ cã sù co ngót đà xảy tượng trương nở bêtông ống nở trì nhiều năm nên tạo điều kiện thuận lợi cho làm việc bêtông Sự trương nở đặc trưng không bêtông ống thép, mà bêtông cách li với môi trường xung quanh phương pháp khác Điều đà xác nhận thí nghiệm O.Ya.Berg với mẫu bêtông cách li [5] Do trao đổi độ ẩm bêtông môi trường bên nguyên nhân trương nở, trị số biến dạng co ngót theo chiều dọc mẫu bị cách li nhỏ không đáng kể Đó ưu điểm ống nhồi bêtông so với bêtông cốt thép Bêtông bị cách li với môi trường xung quanh tạo điều kiện tốt cho làm việc bêtông chịu tải trọng Tải trọng theo thời gian gây phá huỷ bêtông không bị cách li lớn so với bêtông bị cách li Trong bêtông không bị cách li vết nứt nhỏ phát triển ngày nhiều, bêtông bị cách li chịu ứng suất tương đương sau 2-3 ngày đầu hoàn toàn không nứt thêm Việc nhồi bêtông vào ống thép đà nâng cao độ bền ăn mòn, chống gỉ mặt trong, giảm độ mảnh cấu kiện, tăng độ ổn định cục thành ống, tăng sức chống móp vỏ chỗ nối bị va đập trình vận chuyển lắp ráp Diện tích mặt kết cấu ống thép nhồi bêtông nhỏ khoảng nửa mặt kết cÊu thÐp c¸n Do vËy, sư dơng kÕt cÊu ống nhồi bêtông không cần phải sơn phủ, mạ kim loại bịt kín mặt ống thiết phải làm kết cấu ống không nhồi Học viên thực hiện: Lê Trần Nam Trang 10 Luận án Thạc sỹ KHKT Chuyên ngành Cầu Hầm Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng kết cấu ống thép nhồi bêtông vào kết cấu nhịp cầu vòm - dầm liên hợp d đường kính cấu kiện, d = x 0.5m = 1.0m (2 èng D = 0.5m) N uo - tải trọng giới hạn nén (thanh chịu nén tâm), xác định c«ng thøc : N uo = A c f c (1 + θ )= 27646.90 kN Trong ®ã: A c - diện tích tiết diện bêtông lõi, A c = 0.36173 m2 f c - cường độ bêtông, f c = 28330 kN/m2 - hệ số xác định b»ng biÓu thøc : θ = A s fy A c fc = 0.721 A s - diÖn tÝch tiÕt diÖn èng thÐp, As = 0.03077 m2 f y - giới hạn chảy ống thép, f y = 240000 kN/ m2 VËy N u = ϕ N uo = 12791.20 kN 3.5.4.1.2 Kiểm toán lực chịu tải vòm ống nhồi bêtông theo biến dạng: Khả chịu tải ống thép nhồi bêtông chịu nén lệch tâm xác định biểu thức: = BH x Trong đó: - khả chịu tải ống thép nhồi bêtông chịu nén tâm xác định theo công thức "Kết cấu ống thép nhồi bêtông" A.I.Kikin, R.S.Sanzharovski, V.A.Trull [5]: = m( Rbttt Fbt + Rttt Ft ) = 1872485 kG = 18724.8 kN m - hệ số điều kiện làm viƯc, m = 0.8 F bt - diƯn tÝch phÇn lõi bêtông nhồi, F bt = 0.36173 m2 = 3617.3 cm2 F t - diƯn tÝch cđa phÇn vá èng thÐp, F t = 0.03077 m2 = 307.7 cm2 Rtt t - độ bền tính toán vỏ ống thép, Rtt t = 2400 kG/cm2 Rtt bt - ®é bỊn tính toán lõi bêtông, tra bảng ta có Rtt bt = 371 kG/cm2 HÖ sè uèn däc ϕ BH xác định theo bảng phụ thuộc vào độ mảnh qui đổi qđ , Độ mảnh qui đổi qđ xác định biểu thức: Học viên thực hiện: Lê Trần Nam Trang 74 Luận án Thạc sỹ KHKT Chuyên ngành Cầu Hầm Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng kết cấu ống thép nhồi bêtông vào kết cấu nhịp cầu vòm - dầm liên hợp q® = L R 0,5 − 0,25 1+ Trong ®ã: = 38.06 µn k L lµ chiỊu dµi tính toán vòm ống thép nhồi bêtông, L = 25.83 m R bán kính lõi bêtông, R = 0.24 m =F t / F bt hàm lượng thép, µ = 0.08507 k = (σbt c / σ c ).v = 0.155 n = εbt c / ε c = 10.7 ε c = σ c / E c biến dạng tương đối vỏ ống thép, c = 1.26 x 10 -4 σ c c­êng ®é tÝnh to¸n cđa vá èng thÐp, σ c = 2400 kG/cm2 E c môđun đàn hồi vỏ ống thép, E c = 1.9 x 10 -5 kG/ cm2 εbt c = bt c / Ebt c biến dạng tương đối lõi bêtông, bt c = 135 x 10 -5 bt c cường độ tính toán lõi bêtông, bt c = 371 kG/ cm2 Ebt c môđun đàn hồi lõi bêtông, Ebt c = 274815 kG/ cm2 λ q® , =158.07 => ϕ BH = 0.4 φ = ϕ BH x φ2 = 748994 kG = 7489.94 kN Như khả chịu lực ống thép nhồi bêtông lấy sau: [P] = (N u ,φ) = 7489.94 kN Cã N max tÝnh to¸n = 6092.03 kN < [P] = 7489.94 kN KÕt luận: vòm ống thép nhồi bêtông đủ khả chịu lực 3.5.4.1.3 Kiểm tra ổn định vòm ống nhồi bêtông: Tính ổn định vòm mặt phẳng vòm, theo Giáo sư Polivanov [6] để tính ổn định vòm có độ l, chiều dài vòm lv chịu lực Htới hạn thay tính ổn định thẳng có chiều dài .lv chịu lực dọc Ntới hạn = Htới hạn / cos m (hình 4.11) Thoả mÃn điều kiện sau: Nr < Ntới hạn Trong đó: Học viên thực hiện: Lê Trần Nam Trang 75 Luận án Thạc sỹ KHKT Chuyên ngành Cầu Hầm Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng kết cấu ống thép nhồi bêtông vào kết cấu nhịp cầu vòm - dầm liên hợp N r lực dọc lớn vòm tĩnh tải hoạt tải tính toán tác dụng lên cầu N r = 6092.03 kN f=13m lv = 71.4m H tíi h¹n ϕm = 22° H tíi h¹n l = 65m N tíi h¹n N tíi h¹n lv = 25.704 m Hình 3.15: Mô hình tính toán Đối với cầu vòm đường ôtô đường thành phố, vòm không chốt có: = 0.36 Nên .l v = 0.36 x 71.4 =25.704 m Htíi h¹n = K EvIv l x l2 8f Trong ®ã: l chiỊu dài nhịp vòm, = 65 m f chiều dài đường tên, = 13 m K hệ số theo nghiên cøu lý thut hc thùc nghiƯm, theo [6] víi f/l = 0.2 vòm không chốt ta có K= 101 E v , I v môđuyn đàn hồi mômen quán tính vòm Ta có: E v I v = Eèng I èng + E lâi I lâi Trong đó: E ống , I ống môđuyn đàn hồi mômen quán tính vỏ ống thép thép liên kết ống thép E lõi , I lõi môđuyn đàn hồi mômen quán tính lõi bêtông - E ống = x 105 MPa = x 108 kN/m2 Học viên thực hiện: Lê Trần Nam Trang 76 Luận án Thạc sỹ KHKT Chuyên ngành Cầu Hầm Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng kết cấu ống thép nhồi bêtông vào kết cấu nhịp cầu vòm - dầm liên hợp - I ống = D4 (1-α4) / 64 + 2(b h3/12 + b h 0.252) = 0.00155 m4 D đường kính èng thÐp, = 0.5m α = d/D = 0.48/0.5 = 0.96 d đường kính ống thép, = 0.48m b chiỊu réng b¶n thÐp, = 0.5m h bỊ dày thép, = 0.01m - E lõi = 35750 MPa = 3.575 x 107 kN/m2 - I lâi = π D4 / 64 = 0.00521 m4 D lµ đường kính lõi bêtông, = 0.48m Vậy: E v I v = 4.96 x 105 kNm2 H tíi h¹n = 7410.95 kN N tíi h¹n = H tíi h¹n / cos ϕ m = 7992.34 kN ϕ m = 22o => cos ϕ m = 0.927 Cã Nr = 6092.03 kN < Ntới hạn = 7992.34 kN Kết luận: vòm ống thép nhồi bêtông không bị biến dạng mặt phẳng vòm 3.5.4.2 Duyệt tiết diện treo: Khả chịu kéo treo xác định theo công thøc: N r < φ Nn Trong ®ã: N r lực dọc lớn vòm tĩnh tải hoạt tải tính toán tác dụng lên cầu Theo kÕt qu¶ tÝnh néi lùc: + Theo tÜnh t¶i tÝnh toán nút 25 có: - Nmax= 921.82 kN => N r = 921.82 x 0.95 = 875.73 kN Víi chịu kéo ta có = 0.9 Sức kháng kéo danh định treo: N n = f yu x A s = 1194.59 kN Thanh treo b»ng thÐp c­êng ®é cao cã ®­êng kÝnh D = 45 mm Cường độ chịu kéo tính toán: f yu = 751.5 MPa = 75.15 kN/cm2 A s - diÖn tÝch tiÕt diÖn treo, A s = 15.896 cm2 Học viên thực hiện: Lê Trần Nam Trang 77 Luận án Thạc sỹ KHKT Chuyên ngành Cầu Hầm Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng kết cấu ống thép nhồi bêtông vào kết cấu nhịp cầu vòm - dầm liên hợp VËy φ N n = 0.9 x f yu x A s = 1075.13 kN Cã Nr = 875.73 kN < φ Nn = 1075.13 kN KÕt luËn: treo thép DƯL đủ khả chịu lực 3.5.4.3 Duyệt tiết diện dầm cứng: 3.5.4.3.1 Nội lực tính toán dầm cứng: Hệ tính toán hệ đối xứng qua tim dọc cầu Bảng 3.5.4.3.1: Bảng tóm tắt giá trị đường bao nội lực tính toán dầm cứng tổ hợp tải trọng theo trạng thái giới hạn cường độ I tác dụng STT Mặt cắt Khoảng dầm cách vị trí nút (m) 01 15 16 10 17 15 18 20 19 25 20 30 21 35 22 40 10 23 45 11 24 50 Häc viªn thực hiện: Lê Trần Nam Nội lực tính toán Giá trÞ cùc trÞ Mtt(kN.m) Ntt(kN) Qtt(kN) Max Min Max Min Max Min Max Min Max Min Max Min Max Min Max Min Max Min Max Min Max Min 6.76 -6.15 2829.37 -961.03 3675.61 -2093.44 5154.60 -1082.20 5056.94 -714.95 4522.82 -132.05 3468.46 33.66 3468.44 33.54 4522.97 -132.10 5056.53 -715.45 5156.28 -1081.12 4006.81 3043.63 4006.81 3043.63 3439.40 2612.62 3143.36 2387.74 2976.74 2261.16 2883.78 2190.55 2836.52 2154.65 2822.15 2143.74 2836.84 2154.90 2884.31 2190.96 2977.35 2261.63 71.99 -684.92 311.06 -445.86 365.79 -173.12 99.50 -417 361.99 -193.82 446.43 -192.66 588.47 -105.24 479.77 -240.68 344.29 -349.43 431.81 -207.26 432.49 -123.45 Trang 78 Luận án Thạc sỹ KHKT Chuyên ngành Cầu Hầm Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng kết cấu ống thép nhồi bêtông vào kết cấu nhịp cầu vòm - dầm liên hợp 12 25 55 13 26 60 14 02 65 Max Min Max Min Max Min 3665.69 -2098.55 2815.11 -927.30 6.76 -6.15 3144.13 2388.32 3438.49 2611.92 4004.19 3041.64 657.31 141.87 412.04 -124.68 682.07 -74.25 3.5.4.3.2 Kiểm tra tiết diện dầm cứng: Dầm cứng chịu mômen uốn lực kéo vòm truyền qua, bố trí cáp dự ứng lực phần chịu mômen uốn phần chịu kéo Kiểm tra tiết diện dầm mặt cắt mômen uốn lớn mặt cắt có lực kéo lớn + Kiểm tra tiết diện dầm có trị số mômen lớn nhất: Chọn mặt cắt nút 24 kiểm tra tiết diện dầm có giá trị mômen lớn - Giá trÞ néi lùc nh­ sau: - Mmax = 5156.28 kNm - N = 2977.35 kN - Q = 432.49 kN - Với hệ số điều chỉnh tải trọng = 0.95 nªn ta cã: - Mmax = 4898.47 kNm - N = 2828.48 kN 210 - Q = 410.87 kN ghi chú: Kí hiệu cáp chịu mômen uốn 15 20 Kí hiệu cáp chịu lực kéo đẩy ngang từ chân vòm 1525 25 25 2515 130 Hình 3.16: Mặt cắt ngang dầm cứng bố trí cáp DƯL vị trí nút 24 Học viên thực hiện: Lê Trần Nam Trang 79 Luận án Thạc sỹ KHKT Chuyên ngành Cầu Hầm Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng kết cấu ống thép nhồi bêtông vào kết cấu nhịp cầu vòm - dầm liên hợp Dùng 08 bó cáp DƯL, bó gồm tao 15.2mm, theo tiêu chuẩn ASTM Trong bố trí bó chịu uốn bó chịu kéo, với mặt cắt ngang dầm hình 3.16 + Khả chịu tải kết cấu dầm BTCT dự ứng lực theo cường độ chịu uốn theo công thức: Mr < Mn Trong đó: M r - mômen tính toán tiết diện xét, = 4898.47 kNm M n - sức kháng mômen danh định tiết diện - hệ số cường độ chịu uốn Đối với kết cấu dự ứng lực phần chịu uốn kéo, giá trị =1 f py - giới hạn ch¶y thÐp dù øng lùc, = 1674 MPa + Víi tiết diện chữ I, sức kháng danh định Mn xác định sau: M n = A PS f PS (d P - a / 2) + 0.85 f’ c (b - b w ) β h f (a / - h f / 2) Víi: A PS - diÖn tÝch cèt thÐp dù øng lùc, = 3920 (mm2) f PS - øng suÊt trung b×nh bó thép ứng suất trước sức kháng danh định: f PS = f pu (1 - k.c / d p ) = 1845.75 MPa f pu = 1860 MPa k = (1.04 - f py / f pu ) = (1.04 - 1674/1860) = 0.28 Aps f pu − 0.85 β1 f c' (b − bw )h f c= = 51.99 mm f pu ' 0.85 β1 f c bw + kAps dp β - HÖ số, = 0.674 b - chiều rộng cánh chịu nén, =1300mm b w - chiỊu réng b¶n bơng, =300mm h f - chiều dầy cánh chịu nén cấu kiện, =300mm d p - khoảng cách từ thớ chịu nén đến trọng tâm bó thép ứng suất trước, 1900mm Học viên thực hiện: Lê Trần Nam Trang 80 Luận án Thạc sỹ KHKT Chuyên ngành Cầu Hầm Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng kết cấu ống thép nhồi bêtông vào kết cấu nhịp cầu vòm - dầm liên hợp a - chiều dầy khối ứng suất tương ®­¬ng, a=c.β = 35.06 mm M n = 1.27 x 1010 N.mm = 12709.20 kN.m VËy: M r = 4898.47 kNm < φ M n = 12709.20 kNm §iỊu kiện chịu uốn thoả mÃn + Kiểm tra hàm l­ỵng cèt thÐp øng st tr­íc: - KiĨm tra l­ỵng cốt thép tối đa theo công thức: c / d e < 0.42 d e - khoảng cách có hiệu tương ứng từ thớ nén đến trọng tâm cđa cèt thÐp chÞu kÐo, d e = d p = 1900 mm c / d e = 51.99 / 1900 = 0.027 < 0.42 => thoả mÃn hàm lượng thép tối đa - Lượng cốt thép tối thiểu phải thoả mÃn điều kiện: 1.2 M cr < M n M cr - sức kháng nứt (mômen nứt) M cr = f r I g / y t = 5.82E+09 N.mm = 5.82E+03 kNm f r - c­êng ®é chÞu kÐo uèn, =3.984 MPa I g - mômen quán tính mặt cắt nguyên trọng tâm không tính cốt thép, = 9.35 x 1011 mm4 y t - khoảng cách từ thớ chịu kéo đến trục trung hoà, = 640mm 1.2 M cr = 6890 kNm < φ M n = 12709.20 kNm Vậy điều kiện hàm lượng thép tối thiểu thoả mÃn + Khả chịu kéo cáp dự ứng lực theo công thức: Nr < Pn Trong đó: N r - lùc däc tÝnh to¸n cđa tiÕt diƯn dang xÐt, = 2828.48 kN P n - søc kh¸ng danh định cáp chịu kéo - hệ số sức kháng Đối với kết cấu dự ứng lực phần chịu uốn kéo, giá trị =1 P n = A ps f pe = 5248880 N = 5248.88 kN Học viên thực hiện: Lê Trần Nam Trang 81 Luận án Thạc sỹ KHKT Chuyên ngành Cầu Hầm Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng kết cấu ống thép nhồi bêtông vào kết cấu nhịp cầu vòm - dầm liên hỵp f pe - øng st thÐp dù øng lực tạo dự ứng lực, đà xét mát f pe = 0.8 fpy = 1339 MPa A PS - diƯn tÝch cèt thÐp dù øng lùc chÞu kÐo, = 3920 (mm2) N r = 2828.48 kN < φ P n = 5248.88 kN Kết luận: Mặt cắt dầm vị trí nút 24 đủ điều kiện chịu lực + Kiểm tra tiết diện dầm có trị số lực dọc lớn nhất: Chọn mặt cắt nút 01 (đầu nhịp dầm) kiểm tra tiết diện dầm có giá trị lực dọc lớn - Giá trị nội lực sau: - M = 6.76 kNm - N max = 4006.81 kN - Q = - 684.92 kN - Víi hệ số điều chỉnh tải trọng = 0.95 nên ta cã: - M = 6.42 kNm - N max = 3806.47 kN 15 20 210 - Q = - 650.67 kN ghi chú: Kí hiệu cáp chịu mômen uốn đầu dầm uốn lên Kí hiệu cáp chịu lực kéo đẩy ngang từ chân vòm 1525 25 25 2515 130 Hình 3.17: Mặt cắt ngang dầm cứng bố trí cáp DƯL vị trí nút 01 Tại đầu dầm bó chịu uốn uốn lên bó chịu kéo giữ nguyên, với mặt cắt ngang dầm hình 3.17 + Khả chịu kéo cáp dù øng lùc theo c«ng thøc: Nr < φ Pn Trong đó: Học viên thực hiện: Lê Trần Nam Trang 82 Luận án Thạc sỹ KHKT Chuyên ngành Cầu Hầm Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng kết cấu ống thép nhồi bêtông vào kết cấu nhịp cầu vòm - dầm liên hợp N r - lực dọc tính toán tiÕt diÖn dang xÐt, = 3806.47 kN P n - sức kháng danh định cáp chịu kéo - hệ số sức kháng Đối với kết cấu dự ứng lực phần chịu uốn kéo, giá trị =1 P n = A ps f pe = 5248880 N = 5248.88 kN f pe - øng suÊt thép dự ứng lực tạo dự ứng lực, đà xÐt mÊt m¸t f pe = 0.8 fpy = 1339 MPa A PS - diÖn tÝch cèt thÐp dù øng lùc chÞu kÐo, = 3920 (mm2) N r = 3806.47 kN < φ P n = 5248.88 kN KÕt luËn: Mặt cắt dầm vị trí nút 01 đủ điều kiện chịu lực kéo lực đẩy ngang từ vòm truyền xuống Học viên thực hiện: Lê Trần Nam Trang 83 Luận án Thạc sỹ KHKT Chuyên ngành Cầu Hầm Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng kết cấu ống thép nhồi bêtông vào kết cấu nhịp cầu vòm - dầm liên hợp Chương Kết luận kiến nghị 4.1 kết luận: Như mục tiêu nội dung giới hạn, luận văn đà đề cập tới vấn đề nghiên cứu lựa chọn kết cấu cầu vòm, làm việc kết cấu ống thép nhồi bêtông, cấu tạo, phương pháp tính toán, ứng dụng ống thép nhồi bêtông vào kết cấu cầu liên hợp dầm cứng - vòm mềm, việc ứng dụng vào cầu thành phố Sau tác giả luận văn nêu kết đà xem xét nghiên cứu 4.1.1 Về khả chịu lực kết cấu sư dơng vËt liƯu:  Trong kÕt cÊu cÇu dÇm cứng - vòm mềm liên hợp hệ treo, kết cấu vòm chịu nén chủ yếu, nên việc sử dụng vòm ống thép nhồi bêtông hợp lý, bêtông nhồi ống thép không bị co ngót mà trái lại nở thể tích, tạo điều kiện bêtông vỏ thép làm việc tác dụng tải trọng khai thác Vòm ống thép nhồi bêtông có khả chịu tải lớn 5-7 lần vòm bêtông kích thước, bê tông bị nén chặt không nở hông ống thép, nên cường độ bê tông sử dụng chịu tải trọng cao bê tông bị nở hông Do loại kết cấu với chiều dài nhịp tương tự có tiết diện tương đương nhỏ khả vượt nhịp lớn Việc nhồi bêtông đà tăng khả chống gỉ phía ống thép, giảm độ mảnh vòm, tăng độ ổn định cục vách ống thép Nói chung ống tròn có độ cứng chống xoắn cao tiết diện hở khác Với kết cấu cầu dầm cứng - vòm mềm liên hợp, lực đẩy ngang từ vòm truyền vào dầm cứng gây lực kéo lệch tâm dầm cứng Trong dầm Học viên thực hiện: Lê Trần Nam Trang 84 Luận án Thạc sỹ KHKT Chuyên ngành Cầu Hầm Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng kết cấu ống thép nhồi bêtông vào kết cấu nhịp cầu vòm - dầm liên hợp cứng xuất mômen uốn tĩnh tải hoạt tải thẳng đứng, dầm cứng dùng bêtông cốt thép dự ứng lực thích hợp Khi bố trí hợp lý tạo độ lệch tâm điểm đặt lực đẩy ngang từ vòm gây mômen âm dầm cứng nhằm triệt tiêu giảm bớt trị số mômen dương tổng cộng dầm cứng Nhờ tiết kiệm vật liệu cải thiện trạng thái làm việc dầm cứng Trụ, mố không chịu lực đẩy ngang làm việc mố, trụ cầu dầm giản đơn Vì kÝch th­íc mè, trơ nhá h¬n so víi mè, trơ cầu vòm xây dựng vùng có địa chất yếu 4.1.2 Về sơ đồ cấu tạo: Qua phân tích nghiên cứu cho thấy việc chọn sơ đồ cầu vòm với kết cấu dầm cứng - vòm mềm liên hợp ứng dụng ống thép nhồi bêtông hợp lý mặt kinh tế kỹ thuật với chiều dài nhịp L = (40~100)m Bố trí giằng ngang để giữ ổn định chung chịu tải trọng ngang cầu tải trọng gió 4.1.3 Về công nghệ thi công: áp dụng công nghệ vào ngành xây dựng cầu Việt Nam, công nghệ ống vỏ thép nhồi bêtông Công nghệ đà ứng dụng nhiều vào cầu vòm ống thép Trung Quốc Gần công nghệ bắt dầu chuyển giao vào Việt Nam ch­a phỉ biÕn, vỊ kinh nghiƯm xư lý thiÕt kÕ nhiều hạn chế Việc mạnh dạn đưa công nghệ vào việc xây dựng cầu nước ta bước nắm bắt áp dụng công nghệ tiên tiến xây dựng cầu để làm chủ công nghệ xây dựng cầu tương tự Bên cạnh áp dụng công nghệ thi công đúc, lao lắp dầm BTCT DƯL giá lao đà phổ biến Việt Nam vào loại cầu để giảm thời gian kinh phí xây dựng đảm bảo chất lượng công trình 4.1.4 Về kiến trúc mỹ quan công trình: Cầu vòm, thân đà tạo vẻ đẹp kiến trúc Với cầu vòm liên hợp dây treo dầm cứng - vòm mềm có đường xe chạy đà kết hợp vẻ đẹp cầu treo dây văng, cầu dàn thép Dễ dàng tạo hài hòa khu vực Học viên thực hiện: Lê Trần Nam Trang 85 Luận án Thạc sỹ KHKT Chuyên ngành Cầu Hầm Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng kết cấu ống thép nhồi bêtông vào kết cấu nhịp cầu vòm - dầm liên hợp xây dựng cầu, độ thị cần vẻ đẹp kiến trúc mảnh, tạo vẻ đẹp mỹ quan 4.2 Kiến nghị: Sau nghiên cứu số vấn đề luận văn đà đề cập, tác giả xin kiến nghị sau: Nên áp dụng cầu vòm ống thép nhồi bêtông để xây dựng cầu thành phố, cầu nhịp qua kênh, rạch, sông nhỏ, cầu vượt đường cao tốc, cầu đường ôtô Trong phạm vi luận văn, mục tiêu nội dung giới hạn nên chưa thật sâu vấn đề phức tạp nên cần nghiên cứu thêm vấn đề sau: Cần nghiên cứu kiểm nghiệm thực tế kết cấu ống thép lò xo tránh cố xảy Cần nghiên cứu cụ thể làm việc đồng thời kết cấu liên hợp ống thép nhồi bê tông dầm cứng Nhất nghiên cứu để loại bỏ ứng suất bất lợi xảy vị trí liên kết chân vòm đầu dầm Cần phải thực thí nghiệm ống thép nhồi bê tông chịu lực cụ thể môi trường có xét đến tác động ảnh hưởng khác Cần nghiên cứu chi tiết cấu tạo liên kết kết cấu cầu để chế tạo sản xuất lắp đặt dễ dàng trình thi công Học viên thực hiện: Lê Trần Nam Trang 86 Luận án Thạc sỹ KHKT Chuyên ngành Cầu Hầm Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng kết cấu ống thép nhồi bêtông vào kết cấu nhịp cầu vòm - dầm liên hợp TàI LIệU THAM KHảo: [1] Bộ giao thông vận tải (2001) Tiêu chuẩn kỹ thuật công trình giao thông tập - Nhà xuất GTVT Hà nội [2] Nguyễn Viết Trung, Hoàng Hà, Nguyễn Ngọc Long (2003) Cầu bêtông cốt thép tập 2, Nhà xuất GTVT [3] Nguyễn Như Khải; Lê Đình Tâm (1985) Thiết kế cầu kim loại, Nhà xuất Xây dựng, Hà Nội [4] Lê Đình Tâm; Nguyễn Tiến Oanh; Nguyễn Trâm (1996) Thi công cầu thép, Nhà xuất Xây dựng, Hà Nội [5] A.I.Kikin; R.S.Sanzharoski; V.A.Trull (1998) Kết cấu thép ống nhồi bê tông, Bản dịch Tiếng Nga - NXB Xây dựng, Hà Nội 1998 [6] GS Polivanov ( tiếng Nga) Cầu bêtông cốt thép đường ôtô [7] Viện thiết kế Giao thông vận tải (1965) Sổ tay thiết kế cầu vòm, Bản dịch tiÕng Trung Quèc [8] S.H.Cai, Limit Analysis and Applicarion of Concrete Filled steel Tubular Columns, Structural Engineering and Construction, Prooceeding of the First East Asean Conference on Structural Engineering & Construction, Bangkok, Thailand, Jan 15~17/1986, Peramon Press, pp 809 ~820 [9] S.H.Cai, Ultimate strength of Concrete Filled Tube Columns, Composite construction in Steel and Concrete, Prooceeding of an Engineering Foundation Conference, New England College, Henniker, New Hampshire, Jun 7~12/1987 Published by American Society of Civi Engineering, New York USA, pp.702~727 [10] S.H.Cai, W.P.Gu, W.L.Fen, Behaviour and Ultimate strenth of steel tubular Columns Filled with High-Strength concrete, Prooceeding of the Third International Colloquium Society, Beijing, china, pp.153~259 [11] Habin Ge and Tsutomu Usami, Strength of Concrete Filled Thin- Wall Steel Box Columns: Experiment, Journal of Structural Engineering, Vol 118, No11, Nov 1992 ASCE, USA, pp 3036~3054 Häc viªn thùc hiƯn: Lª Trần Nam Trang 87 Luận án Thạc sỹ KHKT Chuyên ngành Cầu Hầm Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng kết cấu ống thép nhồi bêtông vào kết cấu nhịp cầu vòm - dầm liên hợp [12] Jerome F.Hajjar and Brett G.Gourely, Represetation of Concrete- Filled Steel tuber Cross-section Strength, Joural of Structural Engineering, Vol 122, No11, Nov.1996, ASCE, USA, pp.1327~1336 [13] T.TLie and V.K.R Kodur Fire resistance of Steel Columns Filled with Bar-Reinforced, Journal of Structural Engineering, Vol 122, No1, Jan.1996, ASCE, USA, pp.30~36 [14] Hiroshi Watanabe Tatsuro Sakimoto & Tohitaka Yamao, Local Buckling tests of Concrete-Fillad Steel Tubular, Columns Structural Stability and design Kitipornchai, Handcook & Bradford (eds)  1995 Balkema, Rotterdam.ISBN, pp 327~332 Häc viªn thùc hiƯn: Lª TrÇn Nam Trang 88