Nghiên cứu trạng thái ứng suất và biến dạng cầu máng bê tông cốt thép ứng suất trước nhịp lớn

LỜI CẢM ƠN Luận văn thạc sĩ:“ Nghiên cứu trạng thái ứng suất biến dạng cầu máng bê tông cốt thép ứng suất trước nhịp lớn” tác giả hoàn thành thời hạn quy định đảm bảo đầy đủ yêu cầu đề cương phê duyệt Trong trình thực hiện, nhờ giúp đỡ tận tình Giáo sư, Tiến sĩ Trường Đại Học Thuỷ Lợi, công ty tư vấn đồng nghiệp, tác giả hoàn thành luận văn Tác giả chân thành cảm ơn TS Vũ Hoàng Hưng, Trường Đại học Thuỷ Lợi Hà Nội tận tình hướng dẫn giúp đỡ để tác giả hồn thành luận văn Tác giả xin chân thành cảm ơn thầy cô trường Đại học Thuỷ Lợi Hà Nội, thầy khoa Cơng trình tận tụy giảng dạy tác giả suốt trình học đại học cao học trường Tuy có cố gắng song thời gian có hạn, trình độ thân cịn hạn chế, luận văn khơng thể tránh khỏi tồn tại, tác giả mong nhận ý kiến đóng góp trao đổi chân thành thầy cô giáo, anh chị em bạn bè đồng nghiệp Tác giả mong muốn vấn đề tồn tác giả phát triển mức độ nghiên cứu sâu góp phần ứng dụng kiến thức khoa học vào phục vụ đời sống sản xuất Xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày tháng năm 2014 Học viên Lê Bá Nhật Tuân LỜI CAM ĐOAN Họ tên học viên: LÊ BÁ NHẬT TUÂN Lớp cao học: CH21C11 Chuyên ngành: Xây dựng cơng trình thủy Tên đề tài luận văn: “Nghiên cứu trạng thái ứng suất biến dạng cầu máng bê tông cốt thép ứng suất trước nhịp lớn” Tôi xin cam đoan đề tài luận văn tơi hồn tồn tơi làm, kết nghiên cứu tính tốn trung thực Trong q trình làm luận văn tơi có tham khảo tài liệu liên quan nhằm khẳng định thêm tin cậy tính cấp thiết đề tài Tôi không chép từ nguồn khác, vi phạm xin chịu trách nhiệm trước Khoa Nhà trường Hà Nội, ngày tháng năm 2014 Học viên Lê Bá Nhật Tuân MỤC LỤC MỞ ĐẦU .1 1.1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI 1.2 MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI 1.3 CÁCH TIẾP CẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 1.4 CÁCH TIẾP CẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CẦU MÁNG 1.1 Khái quát cầu máng 1.1.1 Khái niệm cầu máng phận cầu máng 1.1.1.1 Kết cấu cửa vào, cửa 1.1.1.2 Kết cấu thân máng 1.1.1.3 Kết cấu gối đỡ 1.1.2 Mặt cắt ngang cầu máng 1.1.2.1 Thân máng có mặt cắt hình chữ nhật 1.1.2.2 Thân máng có mặt cắt ngang hình chữ U 1.2 Tính tốn cầu máng 1.2.1 Các tải trọng tác dụng lên cầu máng 1.2.2 Phương pháp truyền thống tính tốn cầu máng 10 1.2.2.1 Tính tốn thân máng theo phương dọc 10 1.2.2.2 Tính tốn thân máng theo phương ngang 11 1.2.3 Tính tốn cầu máng theo tốn khơng gian 13 Kết luận chương 15 CHƯƠNG II: KẾT CẤU BÊ TÔNG ỨNG SUẤT TRƯỚC 16 2.1 Khái quát kết cấu bê tông cốt thép ứng suất trước 16 2.1.1 Phương pháp căng trước căng sau 16 2.1.1.1 Phương pháp căng trước 16 2.1.1.2 Phương pháp căng sau 17 2.1.2 Các tổn thất ứng suất trước 18 2.1.2.1 Tổn thất ứng suất trước biến dạng thiết bị neo σ h1 19 2.1.2.2 Tổn thất ứng suất trước ma sát lỗ luồn thép cốt thép σ h 20 2.1.2.3 Tổn thất ứng suất trước chênh lệch nhiệt độ cốt thép giá căng σ h3 20 2.1.2.4 Tổn thất ứng suất trước co ngót bê tơng σ h 21 2.1.2.5 Tổn thất ứng suất trước từ biến bê tông σ h5 21 2.1.2.6 Tổn thất ứng suất trước chùng cốt thép σ h 22 2.1.2.7 Tổn thất ứng suất trước dầm bê tông bị ép co σ h 22 2.1.3 Lực căng trước giới hạn 23 2.2 Tính tốn kết cấu cầu máng bê tông cốt thép ứng suất trước 23 2.2.1 Sự làm việc cầu máng 23 2.2.2 Tính tốn cường độ mặt cắt vng góc 24 2.2.2.1 Sơ đồ ứng suất 24 2.2.2.2 Công thức 24 2.2.3 Tính tốn cường độ mặt cắt nghiêng 25 2.2.4 Tính tốn độ võng 26 2.2.4.1 Xác định độ võng tải trọng sinh 26 2.2.4.2 Xác định độ vồng sinh ứng suất trước 28 2.2.4.3 Độ võng toàn phần chịu tác dụng tải trọng 28 2.2.5 Ví dụ số 28 2.2.5.1 Số liệu 29 2.2.5.2 Tính tốn nội lực 29 2.2.5.3 Đặc trưng hình học tiết diện 31 2.2.5.4 Khống chế ứng suất kéo cáp ứng suất trước 32 2.2.5.5 Tổn thất ứng suất trước 32 2.2.5.6 Tính tốn khả chịu uốn tiết diện vng góc thời gian làm việc 33 2.2.5.7 Tính tốn khả chịu cắt tiết diện nghiêng góc thời gian làm việc 34 2.2.5.8 Tính tốn độ võng 35 Kết luận chương 37 CHƯƠNG III: TÍNH TỐN KẾT CẤU BÊ TƠNG CỐT THÉP ỨNG SUẤT TRƯỚC BẰNG PHẦN MỀM SAP2000 38 3.1 Phần mềm SAP2000 38 3.1.1 Khái quát phần mềm SAP2000 38 3.1.2 Các bước tính tốn kết cấu SAP2000 38 3.2 Tính tốn kết cấu bê tơng cốt thép ứng suất trước SAP2000 39 3.2.1 Khái quát dầm bê tông cốt thép ứng suất trước 39 3.2.2 Xử lí vấn đề ứng suất trước SAP2000 40 Kết luận chương 64 CHƯƠNG 4: TÍNH TỐN CẦU MÁNG BÊ TÔNG CỐT THÉP 65 CƠNG TRÌNH THỦY ĐIỆN SƠNG ÂM – TỈNH THANH HĨA 65 4.1 Giới thiệu cơng trình 65 4.1.1 Quy mơ cơng trình 65 4.1.2 Kết cấu cầu máng 65 4.1.3 Số liệu tính tốn 66 4.1.4 Trường hợp tính tốn 67 4.2 Phân tích kết cấu cầu máng theo tốn khơng gian SAP2000 67 4.2.1 Mơ hình hóa kết cấu thân máng phần tử khối (Solid) 67 4.2.2 Gán tải trọng tác dụng lên thân máng 70 4.2.3 Phân tích trạng thái ứng suất biến dạng thân máng nhịp cầu máng thay đổi, mặt cắt ngang giữ nguyên 72 4.2.3.1 Kết tính tốn ứng suất chuyển vị cầu máng chưa có ứng suất trước, chiều dài nhịp tính tốn L= 15,5 m 72 4.2.3.2 Kết tính tốn ứng suất chuyển vị cầu máng chưa có ứng suất trước, chiều dài nhịp 25,5 m 73 4.2.4 Phân tích trạng thái ứng suất biến dạng thân máng nhịp cầu máng thay đổi, giữ nguyên lực nén trước, mặt cắt ngang 74 4.2.4.1 Xác định lực nén trước 74 4.2.4.2 Ứng suất khống chế thép ứng suất trước σk 77 4.2.4.3 Tổn hao ứng suất 77 4.2.4.4 Kết tính tốn ứng suất chuyển vị cầu máng có ứng suất trước, chiều dài nhịp 25,5 m 80 4.2.4.5 Kết tính tốn ứng suất chuyển vị cầu máng có ứng suất trước, chiều dài nhịp 30,5 m 82 4.2.4.6 Tổng hợp kết tính tốn cầu máng 83 4.2.5 Bố trí cốt thép ứng suất trước 84 Kết luận chương 84 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .85 TÀI LIỆU THAM KHẢO 87 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1-1 Sơ đồ mặt cắt dọc cầu máng Hình 1-2 Cửa vào, cửa cầu máng Hình 1-3 Mặt cắt ngang thân máng Hình 1-4 Kết cấu thân máng hình thang chữ U có giằng ngang Hình 1-5 Sơ đồ bố trí giá đỡ kiểu công xôn kép Hình 1-6 Giá đỡ cầu máng kiểu vịm (a) kiểm vòm treo(b) Hình 1-7 Kết cấu gối đỡ Hình 1-8 Các kiểu trụ đỡ Hình 1-9 Mặt cắt ngang máng chữ nhật Hình 1-10 Mặt cắt ngang máng chữ U khơng giằng có giằng Hình 1-11 Sơ đồ phân phối lực cắt không cân 11 Hình 1-12– Sơ đồ tính tốn máng hình thang 12 Hình 1-13 Sơ đồ tính tốn máng chữ U 13 Hình 2-1.Phương pháp căng trước (căng bệ) 17 Hình 2-2 Phương pháp căng sau (căng bê tông) 18 Hình 2-3 Biến đổi mặt cắt thực tế cầu máng mặt cắt tính tốn 23 Hình 2-4: Sơ đồ tính tiết diện chữ T, cánh nằm vùng nén, trục trung hòa qua sườn 24 Hình 2-5: Sơ đồ tính tốn nội lực tiết diện nghiêng 26 Hình 2-6: Mặt cắt thân máng cầu máng thành mỏng ứng suất trước (mm) 29 Hình 3-1: Sơ đồ ứng suất dầm bê tông ứng suất trước 40 Hình 3-2: Sơ đồ tính tốn dầm bê tơng ƯST 41 Hình 3-3: Vẽ sơ cáp ƯST 44 Hình 3-4: Chọn cáp ƯST dạng parabôn 45 Hình 3-5: Định dạng parabơn theo số liệu cho 46 Hình 3-6: Cáp parabơn theo số liệu cho 47 Hình 3-7: Gán lực căng cáp 48 Hình 3-8: Sơ đồ tính tốn dầm bê tơng ƯST 48 Hình 3-9: Biểu đồ mômen uốn M3 ứng với trường hợp tải trọng 50 Hình 3-10: Biểu đồ chuyển vị TH1 50 Hình 3-11: Sơ đồ mạng lưới phần tử Shell cáp ƯST 51 Hình 3-12: Sơ đồ tải trọng tác dụng lên dầm ƯST 52 Hình 3-13: Sơ đồ chuyển vị tổ hợp tải trọng TH1 53 Hình 3-14: Phổ mầu ứng suất S11 ứng với TH1 53 Hình 3-15: Nội lực mặt cắt nhịp dầm 54 Hình 3-16: Sơ đồ tính tốn dầm bê tơng ƯST 55 Hình 3-17: Sơ đồ mạng lưới phần tử Shell cáp ƯST 56 Hình 3-18: Nhập tọa độ điểm đầu cáp thẳng 56 Hình 3-19: Sơ đồ tải trọng phân bố DL cáp ƯST 57 Hình 3-20: Biểu đồ ứng suất S11 dầm ứng với TH1 57 Hình 3-21: Sơ đồ chuyển vị dầm ứng với tổ hợp TH1 58 Hình 3-22: Nội lực mặt cắt nhịp dầm 58 Hình 3-23: Dầm mơ hình hóa phần tử Shell 58 Hình 3-24: Phổ mầu ứng suất tổ hợp tải trọng TH1 58 Hình 3-25: Phổ mầu chuyển vị U3 tổ hợp tải trọng TH1 59 Hình 3-26: Mạng lưới phần tử Solid dầm cáp ƯST 59 Hình 3-27: Nhập tọa độ điểm đầu cuối cáp thẳng 60 Hình 3-28: Sơ đồ tải trọng phân bố DL, LL cáp ƯST 61 Hình 3-29: Biểu đồ ứng suất S11 dầm ứng với TH1 61 Hình 3-30: Sơ đồ chuyển vị dầm ứng với tổ hợp tải trọng TH1 61 Hình 3-31: Nội lực mặt cắt dầm 61 Hình 3-32: Dầm mơ hình hóa phần tử Solid 62 Hình 3-33: Biểu đồ ứng suất S11 dầm ứng với TH1 62 Hình 3-34: Sơ đồ chuyển vị dầm ứng với tổ hợp tải trọng TH1 62 Hình 3-35: Nội lực mặt cắt dầm 62 Hình 4-1: Mặt cắt ngang thân máng 66 Hình 4-2: Đồn xe tô H10 66 Hình 4-3: Mơ hình mặt cắt ngang thân máng phần tử Area 67 Hình 4-4: Mơ hình hóa thân máng phần tử Solid 68 Hình 4-5: Nhập số liệu đồn xe H10 70 Hình 4-6: Sơ đồ áp lực nước (ALN) 71 Hình 4-7: Lực nén trước LNT*=8500/17 kN vào hai đầu đáy máng 71 Hình 4-8: Phổ mầu ứng suất S22 mặt cắt nhịp TH1 chưa có ƯST, L= 15,5 m 72 Hình 4-9: Chuyển vị mặt cắt nhịp TH1 chưa có ƯST, L= 15,5 m 72 Hình 4-10: Ứng suất S22 mặt cắt nhịp TH1 chưa có ƯST, L= 25,5 m 73 Hình 4-11: Chuyển vị mặt cắt nhịp TH1 chưa có ƯST, L= 25,5 m 74 Hình 4-12: Phổ mầu ứng suất S22 mặt cắt nhịp LNT* 75 Hình 4-13: Phổ mầu ứng suất S22 mặt cắt nhịp TH1-A 76 Hình 4-14: Chuyển vị mặt cắt nhịp TH1-A 76 Hình 4-15: Ứng suất trước bê tơng vị trí cốt thép căng trước bước 79 Hình 4-16: Ứng suất S22 mặt cắt nhịp TH1-B, có ƯST, L= 25,5 m 80 Hình 4-17:Chuyển vị mặt cắt nhịp TH1-B, có ƯST, L= 25,5 m 81 Hình 4-18: Ứng suất S22 mặt cắt nhịp TH1-B, có ƯST, L= 30,5 m 82 Hình 4-19:Chuyển vị mặt cắt nhịp TH1-B, có ƯST, L= 30,5 m 82 Hình 4-20: Bố trí cốt thép ứng suất trước 84 -73- Bảng 4-3: Chuyển vị đáy máng đỉnh máng mặt cắt nhịp TH1 chưa có ƯST, L= 15,5 m Joint OutputCase U1 U2 U3 R1 R2 R3 Text Text m m m Radians Radians Radians 2634 TH1 3.857E-09 0.00037 -0.000896 1.733153 -2.242E-09 -2.322E-10 9606 TH1 -6.586E-10 0.000257 -0.000912 0 Từ hình 4-8 bảng 4-2 cho thấy với chiều dài nhịp 15,5 m tổ hợp tải trọng TH1 sinh ứng suất kéo đáy máng có S22=1387,82 kN/m2 < f kc =1650 kN/m2 sinh ứng suất nén đỉnh máng S22= -1217,97kN/m2 > f n = 15500kN/m2 Vậy ứng suất kéo đáy máng bé ứng suất kéo cho phép không sinh nứt Cầu máng đủ khả chịu lực 4.2.3.2 Kết tính tốn ứng suất chuyển vị cầu máng chưa có ứng suất trước, chiều dài nhịp 25,5 m Hình 4-10: Ứng suất S22 mặt cắt nhịp TH1 chưa có ƯST, L= 25,5 m Bảng 4-4: Ứng suất S22 mặt cắt nhịp TH1 chưa có ƯST, L= 25,5 m Solid SolidElem Joint OutputCase S11 S22 S33 S12 S13 S23 Text Text Text Text KN/m2 KN/m2 KN/m2 1199 1199 2654 TH1 88.86 -3592.31 12.27 7.73 144.48 72.77 5942 5942 9616 TH1 169.14 3583.5 -5.17 -0.18 9.92 0.51 KN/m2 KN/m2 KN/m2 -74- Hình 4-11: Chuyển vị mặt cắt nhịp TH1 chưa có ƯST, L= 25,5 m Bảng 4-5: Chuyển vị máng đỉnh máng mặt cắt nhịp TH1 chưa có ƯST, L= 25,5 m Joint OutputCase U1 U2 U3 R1 R2 R3 Text Text m m m Radians Radians Radians 2654 TH1 8.84E-09 0.001175 -0.004431 0.11933 -3.28E-09 -3E-10 9616 TH1 -4.3E-10 0.001019 -0.004442 0 Từ hình 4-10 bảng 4-4 cho thấy tổ hợp tải trọng TH1 sinh ứng suất kéo đáy máng có S22=3583,5 kN/m2 > f kc =1650 kN/m2 sinh ứng suất nén đỉnh máng S22=- 3592,31 kN/m2 > f n = -15500kN/m2 Vậy ứng suất kéo đáy máng lớn ứng suất kéo sinh nứt Cầu máng không đủ khả chịu lực Muốn tăng chiều dài nhịp cần phải làm bê tông ứng suất trước 4.2.4 Phân tích trạng thái ứng suất biến dạng thân máng nhịp cầu máng thay đổi, giữ nguyên lực nén trước, mặt cắt ngang 4.2.4.1 Xác định lực nén trước -75- Hình 4-12: Phổ mầu ứng suất S22 mặt cắt nhịp LNT* Bảng 4-6: Ứng suất S22 mặt cắt nhịp TH1 LNT* Solid SolidElem Joint OutputCase S11 S22 S33 S12 S13 S23 Text Text Text Text KN/m KN/m KN/m KN/m KN/m KN/m2 5942 5942 9616 LNT* 67.76 -1556.3 0.01408 2.04 0.32 0.04204 5942 5942 9616 TH1 169.14 3583.5 -5.17 -0.18 9.92 0.51 Từ hình 4-10, hình 4-12 bảng 4-6 cho thấy tổ hợp tải trọng TH1 sinh ứng suất kéo đáy máng có S22=3583,5 kN/m2 > f kc =1650 kN/m2 sinh ứng suất nén đỉnh máng S22=- 3592,31 kN/m2 > f n = -15500kN/m2 Còn ứng suất lực nén trước LNT*=8500kN sinh ứng suất nén đáy máng S22= -1556,31 kN/m2 ứng suất kéo đỉnh máng S22=475,17 kN/m2 Nếu không cho xuất vết nứt đáy máng từ ta xác định cận lực nén trước (LNT) từ điều kiện ứng suất S22 đáy máng sau: f n = -15500 kN/m2 ≤ S22 ≤ f k c=1650kN/m2 Vậy cận tổng lực nén trước: LNT-A=(3583,5 -1650) 8500/1556,31 = 10560,07kN Trường hợp tổng lực căng trước LNT-A=10560,07 kN đưa vào tổ hợp tải trọng: TH1-A=1,1 DEAD-1,2 ALN+1,3AUTO+LNT-A =1,1 DEAD-1,2 ALN+1,3AUTO +1,242LNT* Ta có kết tính tốn ứng suất mặt cắt nhịp máng tổ hợp tải trọng TH1-A đáy máng có S22=1650,12kN/m2 =f k c=1650kN/m2 đỉnh máng có S22= -3002 kN/m2 >- 15500KN/m2 -76- Hình 4-13: Phổ mầu ứng suất S22 mặt cắt nhịp TH1-A Bảng 4-7: Ứng suất S22 mặt cắt nhịp TH1-A Solid SolidElem Joint OutputCase S11 S22 S33 S12 S13 S23 Text Text Text Text KN/m2 KN/m2 KN/m2 KN/m2 KN/m2 KN/m2 5942 5942 9616 TH1-A 253.31 1650.12 -5.15 2.35 9.52 0.56 5585 5585 9616 TH1-A 252.23 1649.88 -5.28 3.62 -10.24 0.61 Hình 4-14: Chuyển vị mặt cắt nhịp TH1-A Bảng 4-8: Ứng suất S22 mặt cắt nhịp TH1-A Joint OutputCase U1 U2 U3 R1 R2 R3 Text Text m m m Radians Radians Radians 9616 TH1-A 0.00002 0.000153 -0.00289 0 -77- Để cầu máng có đủ khả chịu lực tổng lực nén trước dầm dọc sau trừ tất tổn hao ứng suất phải lớn 10560,07 kN cần thiết phải có độ dự trữ 4.2.4.2 Ứng suất khống chế thép ứng suất trước σk Ứng suất khống chế chịu kéo cốt thép ứng suất trước căng sau lấy c = σk 0.7f = 0.7x15000 = 10500 daN/cm at 4.2.4.3 Tổn hao ứng suất - Tổn hao ứng suất trước biến dạng bệ neo σ h1 Dùng thiết bị neo JM12 thép ứng suất trước thép có ∆L=2mm ∆L 0,3 × 1,8 × 106 = σ hl = E at = 207,69 daN/cm2 L 26 × 100 - Tổn hao chênh lệch nhiệt độ σh : Vì cốt thép bị kéo bệ kéo thép, bệ neo thép cấu kiện tiến hành dưỡng hộ đồng thời, chênh lệch nhiệt độ ∆t= 0° có σh =0 - Tổn hao từ biến co ngót bê tông σh + σh5 : Tổn hao từ biến co ngót bê tơng xác định theo bảng 2-3, phụ thuộc vào ứng suất nén bê tơng vị trí cốt thép lực nén trước sinh ra, lực nén trước lại phụ thuộc tổn thất ứng suất - Tổn hao ứng suất chùng ứng suất cốt thép σh σ= 0,025= σ k 0,025 × 10500 = 262,5 daN/cm2 h6 - Tổn hao ứng suất bê tông bị ép co σ h σ h =E at σb =nσ b Eb Vậy tổn hao ứng suất từ biến co ngót bê tơng σh + σh5 , tổn hao bê tông bị ép co σh phụ thuộc lẫn ứng suất nén bê tơng vị trí cốt thép lực nén trước nên cần tiến hành giải lặp Trình tự giải lặp tiến hành theo bảng 4-9 sau: -78- Bảng 4-9: Bảng excel xác định tổn hao ứng suất TT Đại lượng Đơn vị Bước Bước Bước daN/cm2 15000 15000 15000 cm2 134,52 134,52 134,52 Ứng suất khống chế σk Diện tích cáp căng trước A at Tổn hao hệ neo σh1 daN/cm2 207,69 207,69 207,69 Tổn hao nhiệt độ σh daN/cm2 0 Tổn hao ma sát σh3 daN/cm2 0 Tổn hao từ biến co ngót bê tơng σh + σh5 daN/cm2 550 614 610 Tổn hao chùng cốt thép σh daN/cm2 262,5 262,5 262,5 Tổn hao bê tông bị ép co σh daN/cm2 100 208,51 205,92 Tổng tổn hao σ h = (3)+(4)+(5)+(6)+(7)+(8) daN/cm2 1120,19 1292,70 1286,11 10 Ứng suất căng trước σk − σh = (l)-(9) daN/cm2 13879,81 13707,29 13713,89 11 Tổng lực căng trước LNT =(10)×(2) kN 18671,12 18439,05 18447,92 12 LNT=(11)/LNT* LNT* 2,197 2,169 2,170 13 ƯS nén BT vị trí cáp σb5 LNT* kN/m2 1471,72 1471,72 1471,72 daN/cm2 32,33 31,92 31,94 0,132 0,130 0,130 14 ƯS nén BT σb1 LNT = (13)×(12)/100 15 Tỷ số σb1 / f b = σb1 / 245 16 Tổn hao từ biến co ngót σh + σh5 daN/cm2 614 610 610 17 Tổn hao BT bị ép co σh =6,45×(14) daN/cm2 208,51 205,92 206,02 -79- Trước hết chọn lực nén trước chưa kể đến tổn thất ứng suất từ việc chọn số lượng cốt thép loại thép, chọn 17 sợi thép bện 7φ12 có tổng diện tích tiết diện ngang A at = 17×7×3,14×1,22/4 = 134,52cm2, nhập vào dịng bảng 4-9 Tổng lực căng trước LNT = 10500×134,52 = 1412435 daN = 14124,35 kN Sau thi công đợi cho bê tơng đạt đến 70% cường độ có f b' =0,7×350=245 daN/cm2 cho bê tơng chịu nén trước LNT = (14124,35 - σh A at ) kN trừ tổn hao ứng suất nén bê tông vị trí cáp ứng suất trước lực nén tìm từ mơ hình tính tốn thể hình 4-15 Hình 4-15: Ứng suất trước bê tơng vị trí cốt thép căng trước bước a Do LNT*=8500kN; b Do lực nén trước bước 1: LNT-B1=2.197LNT* Bước sơ chọn σh + σh5 =550daN/cm2 σh =100daN/cm2 nhập vào bước bảng 4-9, tổng tổn hao ứng suất bước σh = 1120,19 daN/cm2 , ứng suất căng trước sau trừ tổn hao σk − σh = 13879,81 daN/cm2 tổng LNT= 138,79×134,52 =18671,12 kN=2,197×LNT* Ứng suất nén bê tơng vị trí cáp ƯST LNT* -1471,72 kN/m2 LNT σb1 = 1471,87× 2,197/100=32,33 daN/cm2 σ b1 32,33 Ta có:= = 0,132 , f b' 245 Từ bảng 2-3 nội suy ta được: σh5 = 482 daN/cm bước lặp -80- Tổn hao ứng suất bê tông bị ép co: E × 106 σ h =at × σ b1 = × 32,33 = 6, 45 × 32,33 = 208,51 daN/cm2 Eb 3,1× 10 2 Sau bước lặp có: σh 4+ h5 = 614 daN/cm σh =208,51daN/cm Tổng tổn hao ứng suất trước: σ h = ∑ σ hi = 207,69+626+262,5+205,92=1286,11 daN/cm2 Tổng lực căng trước trừ tổn hao ứng suất: LNT-B=(15000-1286,11)×134,52=1841107,61daN =18417,92kN lớn lực căng yêu cầu 10560,07 kN để đáy dầm dọc không bị nứt Vậy lực căng trước LNT-B= 18447,92 LNT* = 2,17×LNT* 8500 4.2.4.4 Kết tính tốn ứng suất chuyển vị cầu máng có ứng suất trước, chiều dài nhịp 25,5 m Khi tất tổn hao ứng suất trước xuất tổng lực căng trước trừ tổn thất LNT-B=18447,92kN, phổ mầu ứng suất chuyển vị mặt cắt nhịp máng ứng với tổ hợp tải trọng: TH1-B=1,1DEAD+1,2ALN+1,3AUTO+LNT-B đó: LNT-B=2,17LNT* Hình 4-16: Ứng suất S22 mặt cắt nhịp TH1-B, có ƯST, L= 25,5 m -81- Bảng 4-10: Ứng suất S22 mặt cắt nhịp TH1-B, có ƯST, L= 25,5 m Solid SolidElem Joint OutputCase S11 S22 S33 S12 S13 S23 Text Text Text Text KN/m2 KN/m2 KN/m2 KN/m2 KN/m2 KN/m2 1199 1199 2654 TH1-B 80.61 -2561.18 11.39 40.7 142.17 72.93 5942 5942 9616 TH1-B 316.17 206.34 -5.14 4.24 9.22 0.6 Hình 4-17:Chuyển vị mặt cắt nhịp TH1-B, có ƯST, L= 25,5 m Bảng 4-11: Chuyển vị đáy dầm dọc đỉnh máng mặt cắt nhịp TH1-B Joint OutputCase U1 U2 U3 R1 R2 R3 Text Text m m m Radians Radians Radians 2654 TH1-B 0.000097 -0.00041 -0.00168 0.119345 -7.14E-06 -8.625E-07 9616 TH1-B 0.000035 -0.00049 -0.00174 0 Chú thích: Nút 9616 2654 nút đáy dầm dọc đỉnh máng mặt cắt nhịp cầu máng Ứng suất S22 thân máng mặt cắt nhịp máng tổ hợp tải trọng TH1-B cho hình 4-16 bảng 4-10, Từ hình cho thấy tổ hợp trọng TH1-B đáy máng sinh ứng suất kéo có S22=206,34kN/m2 < f kc =1650kN/m2, tai máng sinh ứng suất nén S22= - 2561,18 kN/m2 > f n =-15500kN/m2 Chuyển vị đáy máng cho hình 4-17 bảng 4-11 ta có U3=-0,00174m Vậy cầu máng đủ khả chịu lực, đủ độ cứng không bị nứt -82- 4.2.4.5 Kết tính tốn ứng suất chuyển vị cầu máng có ứng suất trước, chiều dài nhịp 30,5 m Hình 4-18: Ứng suất S22 mặt cắt nhịp TH1-B, có ƯST, L= 30,5 m Bảng 4-12: Ứng suất S22 mặt cắt nhịp TH1-B, có ƯST, L= 30,5 m Solid SolidElem Joint OutputCase S11 S22 S33 S12 S13 S23 Text Text Text Text KN/m2 KN/m2 KN/m2 KN/m2 KN/m2 KN/m2 1205 1205 2666 TH1-B 87.93 -3965.06 17.47 7.29 32.72 0.13 5948 5948 9622 TH1-B 274.84 1242.87 -6.52 2.94 9.85 0.66 Hình 4-19:Chuyển vị mặt cắt nhịp TH1-B, có ƯST, L= 30,5 m -83- Bảng 4-13: Chuyển vị đáy dầm dọc đỉnh máng mặt cắt nhịp TH1-B, có ƯST, L= 30,5 m Joint OutputCase U1 U2 U3 R1 R2 R3 Text Text m m m Radians Radians Radians 2666 TH1-B 2.071E-08 -0.0003 -0.003977 0.00101 -3.21E-09 -5.18E-10 9622 TH1-B 3.288E-09 -0.00033 -0.004036 0 Chú thích: Nút 9622và 2666 nút đáy dầm dọc đỉnh máng mặt cắt nhịp cầu máng Ứng suất S22 thân máng mặt cắt nhịp máng tổ hợp tải trọng TH1-B cho hình 4-18 bảng 4-12, Từ hình cho thấy tổ hợp trọng TH1-B đáy máng sinh ứng suất kéo có S22=1242,87 kN/m2 < f kc =1650kN/m2, cịn máng sinh ứng suất nén S22= - 3965,06 kN/m2 > f n = -15500kN/m2 Chuyển vị đáy máng cho hình 4-19 bảng 4-13 ta có U3= -0,0040306 m Cầu máng đủ khả chịu lực, đủ độ cứng không bị nứt 4.2.4.6 Tổng hợp kết tính tốn cầu máng Bảng 4-14: Tổng hợp kết tính tốn Trường hợp L LNT* σk đáy máng σck cho phép Nhận xét m KN KN/m2 KN/m2 15.5 1387.82 1650 Đủ KN chịu kéo 25.5 3583.5 1650 Không đủ KN chịu kéo 25.5 8500 206.34 1650 Đủ KN chịu kéo 30.5 8500 1242.87 1650 Đủ KN chịu kéo Vậy với trường hợp 4, cầu máng bê tông ứng suất trước, với chiều dài nhịp L=30,5 m ứng suất kéo đáy máng gần tiến tới giá trị ứng suất kéo cho phép Vậy chiều dài nhịp gần tối ưu cầu máng L= 30,5 m -84- 4.2.5 Bố trí cốt thép ứng suất trước Hình 4-20: Bố trí cốt thép ứng suất trước Kết luận chương Cầu máng tác dụng trọng lượng thân trọng lượng nước tải trọng thẳng đứng khác sinh ứng suất kéo đáy máng sinh chuyển vị lớn, nên nhịp cầu máng thường không lớn để không xuất vết nứt đáy máng để thỏa mãn yêu cầu độ cứng Đối với cầu máng Sông Âm, sử dụng kết cấu bê tông cốt thép thơng thường chiều dài nhịp tối đa cầu máng 15m Để kéo dài nhịp cầu máng sử dụng kết cấu bê tông cốt thép ứng suất trước Qua kết phân tích trạng thái ứng suất biến dạng thân máng cơng trình cầu máng Sơng Âm phần mềm SAP2000 cho thấy nhịp cầu máng tăng lên 30,5 m đảm bảo yêu cầu cường độ độ cứng -85- KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Cầu máng bê tông kết cấu thường gặp cơng trình thủy lợi, chủ yếu chịu tác dụng trọng lượng thân trọng lượng nước, đáy máng có ứng suất kéo lớn sinh nứt, với cầu máng bê tông cốt thép thông thường nhịp cầu máng dạng dầm đơn vào khoảng từ 15m đến 20m Để vượt qua nhịp lớn cần sử dụng cầu máng bê tông cốt thép ứng suất trước, giảm số lượng gối đỡ, đặc biệt có hiệu cầu máng cần vượt qua khe sâu khơng bố trí mố Cầu máng kết hợp làm cầu giao thông kết cấu thường gặp cơng trình thủy lợi giải pháp có ý nghĩa kinh tế Nội dung nghiên cứu luận văn phân tích trạng trạng thái ứng suất biến dạng cầu máng bê tơng ứng suất trước, ngồi tải trọng tác dụng lên cầu máng trọng lượng thân, áp lực nước, áp lực gió, tải trọng người đi, lực căng trước, cịn có tải trọng di động đồn xe ô tô H10, có xe vượt tải Đã áp dụng vào tính tốn cầu máng Sơng Âm, tỉnh Thanh Hóa có khoang, mơ hình hóa phần tử khối (Solid) sử dụng hai chức SAP2000 tính tốn dầm bê tơng cốt thép ứng suất trước tính tốn dầm chịu tải trọng di động, tính tốn có vận dụng linh hoạt sau: Cáp ứng suất trước bố trí thẳng đáy máng thay lực nén tương đương tác dụng hai đầu, nên dễ dàng cho việc mơ hình hóa, đặc biết trường hợp phải căng nhiệu sợi thép ứng suất trước (17 sợi) Trong tổn thất ứng suất trước tổn thất bê tông bị ép co ứng suất nén bê tơng vị trí cốt thép ứng suất trước, phụ thuộc vào lực căng trước, đại lượng phụ thuộc lẫn nên cần tiến hành giải lặp Để giải lại nhiều lần hệ phương trình đại số tuyến tính có kích thước lớn, tác giả giả thiết lực nén trước LNT*=8500 kN kết tính ứng suất bê tơng tương ứng đưa -86- sang bảng tính Excel Với lực nén trước khác LNT=λLNT* kết tính tốn cần nhân với hệ số λ, phần mềm Excel tự tính quan hệ ứng suất lực nén trước, sau khoảng lần lặp ta có kết cuối Với tải trọng di động ôtô, để gán tải trọng vào mơ hình mơ hình hóa phần tử khối, tác giả đưa vào dẫn hướng TCL với kích thước tiết diện ngang 0,01×0,01m có độ cứng nhỏ khơng làm thay đổi độ cứng cầu máng, TCL đặt vào đường ôtô để gán tải trọng (Lane), nên việc xác định vị trí bất lợi đồn xe ơtơ H10 khơng gặp khó khăn Kết tính tốn cầu máng Sơng Âm cho thấy hiệu việc sử dụng bê tông ứng suất trước tăng nhịp cầu máng từ 15m lên đến 30m Những vấn đề tồn cần tiếp tục nghiên cứu: - Trong luận chưa xét tới tiết diện hợp lý mặt cắt ngang thân máng - Chưa xét tới tham gia chịu lực cốt thép thường - Do chưa có tiêu chuẩn kết cấu bê tơng cốt thép ứng suất trước cơng trình thủy lợi, nên tác giả tạm sử dụng tiêu chuẩn kết cấu bê tông cố thép ứng suất trước công trình thủy lợi Trung Quốc tham khảo thêm tiêu chuẩn kết cấu bê tông cố thép ứng suất trước cơng trình xây dựng, tác giả chưa có điều kiện tham khảo so sánh tiêu chuẩn nước khác tính tổn thất ứng suất trước - Những tồn nội dung cần nghiên cứu tác giả có điều kiện Mặc dù thân cố gắng điều kiện thời gian hạn chế với khối lượng cơng việc tính tốn lớn, nên luận văn khơng tránh khỏi sai sót chỗ chưa hợp lý Em mong bảo, đóng góp ý kiến Thầy Cơ giáo giúp cho luận văn em hồn chỉnh, xác hơn, giúp cho em có thêm kiến thức chuyên môn để phục vụ công việc sau -87- TÀI LIỆU THAM KHẢO Nguyễn Tiến Chương (2010), “Kết cấu bê tông ứng suất trước”, Nhà xuất Xây dựng, Hà Nội Nguyễn Tiến Chương (2014), “Kết cấu bê tông ứng suất trước căng sau”, Nhà xuất Xây dựng, Hà Nội Tiêu chuẩn ngành 14TCN 181-2006: Hướng dẫn tính tốn thiết kế kết cấu cầu máng vỏ mỏng xi măng lưới thép 4.Tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam: TCXDVN 365-2005: “ Kết cấu bê tông bê tông cốt thép - Tiêu chuẩn thiết kế” Vũ Hoàng Hưng nnk (2012), “SAP2000 – Phân tích kết cấu cơng trình thủy lợi thủy điện”, Nhà xuất Xây dựng, Hà Nội Tống Ngọc Phổ nnk (2010), “Kết cấu bê tông cốt thép thủy công”, Nhà xuất Thủy lợi Thủy điện Trung Quốc, Bắc Kinh Phạm Ngọc Khánh (2006), giảng cao học, “Phương pháp phần tử hữu hạn”, Trường Đại học Thủy lợi Trần Mạnh Tuân, Nguyễn Hữu Thành, Nguyễn Hữu Lân, Nguyễn Hoàng Hà (2001), “Kết cấu bê tông cốt thép”, Nhà xuất xây dựng Ngô Trí Viềng, Nguyễn Chiến,Nguyễn Văn Mạo, Nguyễn Văn Hạnh, Nguyễn Cảnh Thái (2005), “Giáo trình thủy cơng –tập 2” Trường Đại học Thủy Lợi