Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật xây dựng: Phân tích ảnh hưởng của sự thay đổi nhiệt độ đến ứng suất và biến dạng của cầu toàn khối một nhịp tại khu vực Nam Bộ, Việt Nam

3 Nghiên cứu tổng quan về tương tác “cầu toàn khối – đất nền”.4 Nghiên cứu tổng quan về sự làm việc mỏi của cọc móng cầu toàn khối.5 Nghiên cứu ứng dụng chương trình ANSYS để phân tích ứ

Trang 1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA



NGUYỄN VĂN TOẢN

PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG CỦA SỰ THAY ĐỔI NHIỆT ĐỘ ĐẾN ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG CỦA CẦU TOÀN KHỐI

MỘT NHỊP TẠI KHU VỰC NAM BỘ, VIỆT NAM

Chuyên ngành:Kỹ thuật xây dựng Công trình giao thôngMã ngành:60 58 02 05

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Thành phố Hồ Chí Minh, 2017

Trang 2

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

3 Cán bộ phản biện 1 : PGS.TS VÕ PHÁN4 Cán bộ phản biện 2 : TS PHÙNG MẠNH TIẾN

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Bộ môn quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

Trang 3

HV: Nguyễn Văn Toản MSHV: 7140679 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: NGUYỄN VĂN TOẢN MSHV: 7140679 Ngày, tháng, năm sinh: 20/07/1991 Nơi sinh: Hà Tĩnh Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng Công trình giao thông Mã số : 60 58 02 05I TÊN ĐỀ TÀI:

PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG CỦA SỰ THAY ĐỔI NHIỆT ĐỘ ĐẾN ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG CỦA CẦU TOÀN KHỐI MỘT NHỊP TẠI NAM BỘ, VIỆT

NAM II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

1) Nghiên cứu tổng quan về cấu tạo, những thuận lợi khó khăn trong xây dựngvà hiểu biết về cầu toàn khối

2) Nghiên cứu về sự truyền nhiệt trong kết cấu cầu và sự thay nhiệt độ ở NamBộ, Việt Nam

3) Nghiên cứu tổng quan về tương tác “cầu toàn khối – đất nền”.4) Nghiên cứu tổng quan về sự làm việc mỏi của cọc móng cầu toàn khối.5) Nghiên cứu ứng dụng chương trình ANSYS để phân tích ứng suất, biến dạng

của hệ mố - nền đất đắp quanh mố cầu toàn khối một nhịp trong điều kiệnViệt Nam (xây dựng sơ đồ phần tử hữu hạn, phân tích, nhận xét và kết luận).III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : (Ghi theo trong QĐ giao đề tài)

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: (Ghi theo trong QĐ giao đề tài)V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS LÊ BÁ KHÁNH

TP Hồ Chí Minh, ngày 14 tháng 8 năm 2017

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

TS Lê Bá Khánh

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

TS Lê Bá Khánh TRƯỞNG KHOA

Trang 4

HV: Nguyễn Văn Toản MSHV: 7140679

LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên và trước hết em xin cảm ơn sâu sắc đến TS Lê Bá Khánh, người thầy đã dành nhiều thời gian tận tình hướng dẫn, động viên và chỉ bảo tôi trong suốt thời gian thực hiện Luận văn này Bên cạnh đó em chân thành cảm ơn toàn thể quý thầy, cô giáo Trường Đại học Bách khoa Thành phố Hồ Chí Minh đã giảng dạy, truyền đạt cho em nhiều kiến thức và kinh nghiệm quý báu

Đồng thời, tôi xin gửi lời cảm ơn đến Trường Đại học Thủy Lợi, Bộ môn Công trình Giao thông; Cơ sở 2 - Đại học Thủy Lợi, Bộ môn Kỹ thuật Công trình nơi tôi đang công tác, đã tạo điều kiện thuận lợi nhất để tôi hoàn thành chương trình học

Cuối cùng, con xin gửi lời cảm ơn đến cha mẹ, anh chị, em trai, bạn bè đồng nghiệp đã luôn ủng hộ tôi, kề vai sát cánh trong suốt thời gian qua./

Tác giả

Nguyễn Văn Toản

Trang 5

TÓM TẮT LUẬN VĂN Cầu toàn khối (CTK) là một kiểu cầu hiện đại đã được áp dụng rộng rãi trên thế giới, tuy nhiên, còn tồn tại một số vấn đề kỹ thuật cần được nghiên cứu làm rõ Mục đích của luận văn này là phân tích ứng suất – biến dạng của kết cấu CTK một nhịp giản đơn dạng liên hợp dưới ảnh hưởng của sự thay đổi nhiệt độ trong điều kiện Nam Bộ, Việt Nam bằng sơ đồ tính phần tử hữu hạn (PTHH) 3D trên chương trình ANSYS Tương tác giữa đất nền và móng mố CTK được xây dựng từ PTHH trong mô hình Drucker-Prager Vật liệu kết cấu được xem xét trong mô hình đàn dẻo lý tưởng Nghiên cứu chỉ ra rằng, dưới tác động của nhiệt độ thay đổi, tương tác giữa đất-kết cấu và ứng suất trong kết cấu cũng thay đổi theo Vào thời điểm nhiệt độ cao, cọc và mố xu thế chuyển vị về phía đất nền sau mố và ngược lại vào đêm mùa đông khi nhiệt độ xuống thấp nhất Đặc biệt, ứng suất trong cọc móng HP thay đổi theo tính chất trùng phục của nhiệt độ, là một trong các nguyên nhân có thể làm cọc bị phá hoại mỏi Bằng việc tiếp cận phương pháp phân tích mỏi ứng suất theo thời gian có thể thấy tuổi thọ của cọc HP trong CTK có xu thế giảm khi chiều dài kết cấu nhịp tăng và phạm vi nhiệt độ thay đổi rộng

Từ khóa: Cầu toàn khối, tương tác đất kết cấu, phần tử hữu hạn, phân tích mỏi, ANSYS

Trang 6

HV: Nguyễn Văn Toản MSHV: 7140679 Impact of Temperature Change on Strain-stress of Integral Abutment

Bridges in the South of Vietnam ABSTRACT:

Integral Abutment Bridges (IABs) is a modern type of bridge which have been applied commonly in the world, however, there are still technical engineering problems remained that need to solve completely The objective of this thesis is to numerically simulate and analyze the stress-strain of structure of the single span IABs under thermal loading in Southern part of Vietnam, by using finite element method on ANSYS programme The interaction between soils and substructure of IABs was also simulated based on Drucker-Prager model In addition, the study takes into consideration the perfectly of elastic-plasticity of materials Various thermal loading were investigated, the result demonstrates that changes of soil-structure interaction and stress depend on thermal fluctuation Bridge displacements are affected by both daily and seasonal temperature changes Especialy, stress in H-pile steel changed due to thermal fluctuated cycle loading Approaching stress-life method in fatigue analysis, it can be in said that the trend of life of H-pile is decrease if length of superstructure is increase or the variation of temperature is larger

Keywords: Integral Abutment Bridges, soil structure interaction, finite element, fatigue analysis, ANSYS

Trang 7

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu khoa học độc lập của tôi Các số liệu trong luận văn là trung thực và có nguồn gốc rõ ràng Các kết quả của luận văn chưa từng được công bố trong bất cứ công trình khoa học nào Tác giả hoàn toàn chịu trách nhiệm về tính xác thực và nguyên bản của luận văn

Tác giả

Nguyễn Văn Toản

Trang 8

MỤC LỤC

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ iii

LỜI CẢM ƠN vi

TÓM TẮT LUẬN VĂN vii

LỜI CAM ĐOAN ix

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CẦU TOÀN KHỐI 4

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 4

1.2 CẦU MỐ TOÀN KHỐI 6

1.2.1 Thuận lợi và khó khăn của cầu mố toàn khối 7

1.2.2 Vật liệu của cọc trong cầu toàn khối 8

1.3 TƯƠNG TÁC GIỮA ĐẤT VÀ MỐ, CỌC CẦU TOÀN KHỐI 9

1.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 12

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT PHÂN TÍCH CẦU TOÀN KHỐI 13

2.1 TRUYỀN NHIỆT TRONG KẾT CẤU CẦU 13

2.2 TƯƠNG TÁC GIỮA KẾT CẤU PHẦN TRÊN VÀ MỐ MÓNG 15

2.2.1 Phương pháp Winkler 16

2.2.2 Phương pháp đường cong p - y 17

2.2.3 Mô hình đàn hồi tuyến tính 18

2.2.4 Mô hình Mohr – Coulomb và Drucker – Prager 18

2.3 PHÂN TÍCH MỎI CỦA CỌC CẦU TOÀN KHỐI 21

2.3.1 Mỏi của kết cấu 21

2.3.2 Phương pháp phân tích mỏi 22

2.3.3 Nghiên cứu về mỏi của cọc cầu toàn khối 28

2.3.4 Phương pháp phân tích phi tuyến vật liệu 30

2.4 ĐIỀU KIỆN NHIỆT ĐỘ KHU VỰC NGHIÊN CỨU 33

2.4.1 Khu vực nghiên cứu 33

2.4.2 Dữ liệu nhiệt độ thu được 34

2.4.3 Mô hình toán của biến số nhiệt độ 37

2.4.3.1 Nhiệt độ thay đổi theo ngày 38

Trang 9

2.4.3.2 Nhiệt độ thay đổi theo mùa 38

3.3.4 Bài toán kiểm tra sự vận hành của chương trình 53

3.4 KẾT QUẢ ỨNG SUẤT, BIẾN DẠNG VÀ CHUYỂN VỊ 56

3.4.1 Ứng suất, biến dạng, chuyển vị của mố và cọc trong sơ đồ tĩnh 56

3.4.1.1 Chuyển vị của đất xung quanh cọc 56

3.4.1.2 Ứng suất trong cọc 57

3.4.1.3 Chuyển vị của cọc 62

3.4.1.4 Ứng suất trên mố 66

3.4.1.5 Chuyển vị của mố 70

3.4.2 Ứng suất, biến dạng của dầm chủ trong sơ đồ tĩnh 71

3.4.3 Phân tích mỏi của cọc theo thời gian 75

3.5 NHẬN XÉT CỦA CHƯƠNG 78

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 81

TÀI LIỆU THAM KHẢO 83

PHỤ LỤC 85

Trang 10

DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2 1 Gradient nhiệt theo phương thẳng đứng trong kết cấu nhịp thép và bê tông

(22TCN272, 2005) 15

Bảng 2 2 So sánh phương pháp gia tăng từng bước (Incremental) và Newton Raphson 31

Bảng 2 3 So sánh phương pháp Full Newton - Raphson và Newton - Raphson 32

Bảng 2 4 Vùng nhiệt độ thiết kế của Việt Nam trong 22TCN272-05 34

Bảng 2 5 Vùng nhiệt độ thiết kế của Việt Nam (Nguyễn Phúc Trí, 2006) 34

Bảng 2 6 Nhiệt độ không khí tại trạm Tân Sơn Hòa, Tp Hồ Chí Minh 35

Bảng 2 7 Nhiệt độ không khí tại trạm Mỹ Tho, Tiền Giang 35

Bảng 3 1 Đặc trưng hình học của các bộ phận kết cấu phần trên 43

Bảng 3 2 Đặc trưng hình học của cọc thép HP-410-210 (skylinesteel.NUCOR) 45

Bảng 3 3 Thông số đất nền 45

Bảng 3 4 Các tham số cơ bản của mô hình đất (DP hoặc MC) 45

Bảng 3 6 Tổ hợp tải trọng và hệ số tải trọng theo AASHTO LRFD 47

Bảng 3 7 Thuộc tính vật liệu thép tấm 50

Bảng 3 8 Thuộc tính vật liệu bê tông 50

Bảng 3 9 Tham số mô hình đàn dẻo của vật liệu thép tấm và bê tông 51

Bảng 3 10 Tham số vật lý của đất trong mô hình DP 53

Bảng 3 13 Tổng hợp kết quả phân tích qua các trường hợp tính toán 55

Bảng 3 14 Ứng suất thay đổi phụ thuộc phạm vi biên độ nhiệt độ thay đổi và chiều dài nhịp đối với phần tử phân tích 77

Bảng 3 15 Số chu kỳ mỏi phụ thuộc biên độ nhiệt độ thay đổi và chiều dài nhịp 77

Bảng 3 16 Tuổi thọ mỏi của cọc trong các trường hợp nghiên cứu giả thiết biên độ nhiệt độ thay đổi theo ngày 78

Trang 11

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1 1 CTK được xây dựng tại Nova Scotia, Canada 4

Hình 1.2 Dạng CTK một nhịp trên hệ móng cọc một hàng học 5

Hình 1.3 Dạng CTK một nhịp không sử dụng móng cọc 5

Hình 1 4 Bố trí kết cấu của cầu truyền thống và CTK 6

Hình 1 5 Xu thế biến dạng của CTK một nhịp do nhiệt độ thay đổi 6

Hình 1 6 Sơ đồ hình học và sơ đồ tính của cầu truyền thống và CTK một nhịp 7

Hình 1 7 Kết quả thí nghiệm tải trọng/biến dạng cho cọc thép và bê tông (Kamel) 9

Hình 1 8 Chuyển vị của mố do tác động của gradient nhiệt và độ lệch tâm giữa áp lực đất và lực dọc trục trong kết cấu nhịp 10

Hình 1 9 So sánh mức độ biến dạng của cọc CTK trong trường hợp đất có độ chặt khác nhau 11

Hình 2 1 Ảnh hưởng của nhiệt độ thay đổi lên CTK 13

Hình 2 2 Dãn nở vì nhiệt của CTK theo các phương 13

Hình 2 3 Sự phân bố nhiệt độ rải đều theo chiều cao kết cấu (Emerson, 1976) 14

Hình 2 4 Phân bố gradient nhiệt trên mặt cắt ngang kết cấu nhịp (22TCN272, 2005) 15

Hình 2 5 Mô hình đường cong p-y 18

Hình 2 6 Quan hệ giữa ứng suất và biến dạng của đất trong mô hình Mohr – Coulomb đàn dẻo lý tưởng (PLAXIS Manual) 19

Hình 2 7 Ứng xử dẻo của phần tử trong quá trình cắt (The Engineering of Foundations) 20 Hình 2 8 Mặt ứng suất chảy dẻo trong mô hình MC và DP 20

Hình 2 9 Sự biến thiên ứng suất trong kết cấu chịu tải trọng thay đổi tuần hoàn theo thời gian và mối quan hệ ứng suất biến dạng khi phá hoại mỏi xảy ra 21

Hình 2 10 Biểu đồ đường quan hệ giữa cường độ phá hoại mỏi và số chu kỳ tác động (kết quả thực nghiệm của thép UNS G41300, NACA Tech., 1966) 22

Hình 2 11 Biểu đồ đường quan hệ giữa biên độ biến dạng và số chu kỳ tác động (kết quả thực nghiệm của thép hình cán nóng SAE 1020, SAE J1099_200208) 24

Hình 2 12 Chu trình ứng suất biến dạng của vật liệu sau 5 chu kỳ (Shigley’s Mechanical Engineering Design, 10th edition) 24 Hình 2 13 Một số mối quan hệ ứng suất – thời gian: (a) ứng suất thay đổi dao động với tần suất gợn cao; (b) (c) ứng suất dao động gần hình sin; (d) ứng suất dao động điều hòa; (e)

Trang 12

HV: Nguyễn Văn Toản MSHV: 7140679 ứng suất lặp lại; (f) ứng suất điều hòa đối xứng (Richard G Budynas & J Keith Nisbett,

2014) 25

Hình 2 14 Biểu đồ Goodman cho các đường ứng suất (Richard G Budynas & J Keith Nisbett, 2014) 26

Hình 2 15 Sơ đồ cây trình tự tính toán về mỏi của kết cấu (ANSYS) 26

Hình 2 16 Sơ đồ cây phân tích mỏi với mô hình biến dạng theo thời gian (ANSYS) 27

Hình 2 17 Sơ đồ cây phân tích mỏi với mô hình ứng suất theo thời gian (ANSYS) 27

Hình 2 18 Chuyển vị của mố và cọc của CTK trong một chu kỳ nhiệt 28

Hình 2 19 Dạng chuyển vị xoay và uốn của tường mố (Steve Rhodes, Julian Moses) 28

Hình 2 20 Phá hoại mỏi trong cọc thép HP dưới tải trọng lặp 29

Hình 2 21 Khái niệm phân tích tuyến tính (a) và phi tuyến (b) 30

Hình 2 22 Phương pháp luận phân tích số của phân tích phi tuyến 30

Hình 2 23 Sự hội tụ của phương pháp phân tích phi tuyến 31

Hình 2 24 Phương pháp phân tích số của phân tích phi tuyến Full Newton – Raphson và Modified Newton - Raphson 31

Hình 2 25 Quá trình phân tích phi tuyến trong ANSYS 32

Hình 2 26 Thiết lập dung sai cho tiêu chuẩn hội tụ 33

Hình 2 27 Biểu đồ nhiệt độ trung bình theo tháng qua nhiều năm tại trạm Mỹ Tho, TG 36

Hình 2 28 Biểu đồ nhiệt độ lớn nhất theo tháng qua nhiều năm tại trạm Mỹ Tho, TG 36

Hình 2 29 Biểu đồ nhiệt độ thấp nhất theo tháng qua nhiều năm tại trạm Mỹ Tho, TG 37

Hình 3 1 Sơ đồ khối phân tích tham số bằng ANSYS dự kiến 41

Hình 3 2 Một nửa mặt cắt dọc cầu nghiên cứu 42

Hình 3 3 Mặt cắt ngang cầu (mặt cắt 1-1) 42

Hình 3 4 Bố trí cốt thép dầm chủ và cốt thép bản mặt cầu 42

Hình 3 5 Mặt cắt ngang của các bộ phận kết cấu phần trên 44

Hình 3 6 Mặt cắt ngang của các bộ phận kết cấu phần dưới 44

Hình 3 7 Lý tưởng hóa tương quan góc dãn nở từ thí nghiệm 3 trục (Vermeer & de Borst, 1984) 46

Hình 3 8 Cấu trúc phần tử SOLID187 (ANSYS) 48

Hình 3 9 Cấu trúc phần tử BEAM188 (ANSYS) 49

Hình 3 10 Sơ đồ tính ¼ cầu gồm bản mặt cầu, dầm thép, mố, cọc thép 49

Hình 3 11 Lưới phần tử hữu hạn (FEM) của sơ đồ ¼ cầu 49

Trang 13

Hình 3 12 Các dạng đường quan hệ ứng suất biến dạng của bê tông và thép 51

Hình 3 13 Quan hệ ứng suất biến dạng của bê tông (BKIN, ANSYS) 52

Hình 3 14 Quan hệ ứng suất biến dạng của thép (BKIN, ANSYS) 52

Hình 3 15 Sơ đồ 1, nhiệt độ đều tác dụng lên dầm giản đơn 53

Hình 3 16 Sơ đồ 2, nhiệt độ đều tác dụng lên dầm hai đầu gối cố định 53

Hình 3 17 Dầm mảnh bị uốn và mất ổn định khi nhiệt độ tăng cao 54

Hình 3 18 Biểu đồ quan hệ giữa ứng suất và biến dạng thu được từ kết quả phân tích 55

Hình 3 19 Chuyển vị UX của đất quanh cọc, nhịp nghiên cứu L30m, TU10ºC 56

Hình 3 20 Chuyển vị UX của đất quanh cọc, nhịp nghiên cứu L30m, TU30ºC 57

Hình 3 21 Ứng suất von Mises đầu cọc, nhịp nghiên cứu L24m, TU10ºC 58

Hình 3 30 Biểu đồ chyển vị của cọc dưới nhiệt độ thay đổi, nhịp L24m 63

Hình 3 33 Biểu đồ chyển vị của cọc khi chiều dài nhịp thay đổi, nhiệt độ TU-15ºC 64

Hình 3 34 Biểu đồ chyển vị của cọc khi chiều dài nhịp thay đổi, nhiệt độ TU+10ºC 64

Hình 3 37 Chyển vị của đầu cọc phụ thuộc chiều dài nhịp và nhiệt độ thay đổi 66

Hình 3 38 Ứng suất von Mises trên mố trường hợp nhịp nghiên cứu L30m, TU10ºC 67

Hình 3 41 Biểu đồ chyển vị UX của mố dưới nhiệt độ thay đổi, nhịp L24m 70

Trang 14

Hình 3 44 Ứng suất von Mises trên dầm, nhịp nghiên cứu L30m, TU10ºC 72

Hình 3 47 Biểu đồ quan hệ giữa ứng suất và số chu kỳ của vật liệu thép cọc 76

Hình 3 48 Vị trí phần tử phân tích mỏi đối với trường hợp nhịp L30m 76

Trang 15

VIẾT TẮT TIẾNG ANH:

AASHTO : American Association of State Highway and Transportation

Officials ANSYS : Analysis Systems (on computer), ANSYS Inc, USA ASTM : American Society for Testing and Materials

FHWA : Federal Highway Administration, US JIS : Japan Industry Standard

Trang 16

HV: Nguyễn Văn Toản MSHV: 7140679 S-N : Stress-Life (High cycle fatigue)

SAE : Society of Automotive Engineers, US SSI : Soil-Structure Interaction

Trang 17

DANH MỤC KÝ HIỆU Ký hiệu Giải thích

αconcrete Hệ số dãn nở vì nhiệt của bê tong αsteel Hệ số dãn nở vì nhiệt của cốt thép TmaxTK Nhiệt độ thiết kế tối đa

TminTK Nhiệt độ thiết kế tối thiểu

Ip mô men quán tính tiết diện cọc

p áp lực đất tác dụng lên cọc Kh hệ số nền theo phương ngang của đất u chuyển vị ngang của cọc tại điểm x dọc theo chiều dài của cọc Pult Sức kháng cực hạn của đất trên đơn vị chiều dài cọc

Trang 18

HV: Nguyễn Văn Toản MSHV: 7140679 

Ts,m nhiệt độ trung bình mùa td giờ ngày tại thời điểm trong ngày từ 1 đến 365 ngày trong năm L Chiều dài nhịp tính toán

tbmc bề dày bản BTCT mặt cầu bbmc bề rộng bản BTCT mặt cầu

btop Bề rộng bản cánh trên dầm thép ttop Bề dày bản cánh trên dầm thép bbot Bề rộng bản cánh dưới dầm thép tbot Bề dày bản cánh dưới dầm thép f’c Cường độ nén mẫu bê tông 28 ngày tuổi

Trang 19

HV: Nguyễn Văn Toản MSHV: 7140679 Ec Modulus đàn hồi của bê tông

γc Hệ số poisson của bê tông

γs Trọng lượng riêng riêng của thép γsat Dung trong tự nhiên bão hòa của đất Eref Modulus biến dạng của đất

σ1 ứng suất trục trong thí nghiệm 3 trục σ3 Áp lực buồng trong thí nghiệm 3 trục rx, ry Bán kính quán tính của tiết diện Pcr Lực nén tới hạn Euler

ΔTcr Nhiệt độ tới hạn

Trang 20

MỞ ĐẦU

1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Nhằm tiếp cận những nghiên cứu tiên tiến trên thế giới có tính khả thi khi áp dụng tại điều kiện Nam Bộ, Việt Nam Để cải tiến thiết kế trong nước về kết cấu cầu và khắc phục các nhược điểm của các loại kết cấu cầu cũ dựa vào những thuận lợi được đúc kết từ việc xây dựng cầu toàn khối (CTK) ở các nước khác như: Loại bỏ hoàn toàn khe biến dạng và gối cầu; đơn giản hóa kết cấu phần dưới; nhanh hơn và đơn giản hóa quá trình xây dựng; thanh mảnh hơn kết cấu phần trên; giảm chiều dài và độ dốc đường dẫn lên cầu; lái xe êm thuận; loại bỏ các chi tiết có vấn đề; cấu trúc mạnh mẽ Vì vậy, CTK đang được xem xét như là một lựa chọn phù hợp để thay thế một số dạng cầu truyền thống bởi vì những lợi ích về kinh tế kỹ thuật mà CTK mang lại đã được nhiều nước tiên tiến trên thế giới ghi nhận Tuy nhiên, hiện tại có một số vấn đề kỹ thuật của CTK hình thành mà nguyên nhân là do tính liên kết toàn khối giữa kết cấu phần trên và mố, móng cầu và những vấn đề này cần được nghiên cứu, làm rõ Sự ảnh hưởng của nhiệt độ theo ngày, theo mùa lên CTK như là một nguyên nhân gây ra tải trọng lặp có tính tuần hoàn do kết cấu biến dạng khi nhiệt độ thay đổi Kết quả này ảnh hưởng đáng kể trong sự tương tác giữa đất-kết cấu của CTK, đặc biệt là nó có thể gây ra áp lực đất quá mức phía sau mố vượt quá giới hạn cho phép Bên cạnh đó, sự hiểu biết về ứng xử của kết cấu CTK hiện nay là chưa đầy đủ Điều này do tính phức tạp của tổng thể CTK và chúng cần được nghiên cứu một cách rõ ràng trong đó cần cân nhắc nghiên cứu sự tương tác giữa đất và kết cấu do ảnh hưởng của nhiệt độ

Để có căn cứ khoa học rõ ràng trong việc xem xét sử dụng CTK thì vấn đề nghiên cứu sâu về các ảnh hưởng đến ứng suất và biến dạng của kết cấu CTK trong đó có ảnh hưởng do nhiệt trong cùng điều kiện về tính chất vật lý của đất nền là một vấn đề hết sức cần thiết để nghiên cứu, đánh giá Nhằm củng cố cơ sở khoa học khi áp dụng là dạng kết cấu cầu mới-CTK vào điều kiện Nam Bộ, Việt Nam

2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU  Phân tích ảnh hưởng của nhiệt độ đến CTK áp dụng với một số bài toán cụ

thể bằng chương trình phân tích tham số trên máy tính (ANSYS)  Xác định được mức độ ảnh hưởng của yếu tố nhiệt độ tới CTK nhịp giản đơn

tại Nam Bộ, Việt Nam 3 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

Trang 21

HV: Nguyễn Văn Toản MSHV: 7140679 Trong luận văn này chỉ mới nghiên cứu đến ứng suất và biến dạng của mố, móng cọc thép của CTK một nhịp điển hình trên thế giới đã áp dụng, kết cấu phần trên là dầm thép – bê tông liên hợp có chiều dài thay đổi Dưới tác động nhiệt độ thay đổi

Tham số địa chất và nhiệt độ xem xét trong một trường hợp điển hình của vùng khí hậu Nam Bộ, Việt Nam

4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Phương pháp nghiên cứu của đề tài là kết hợp giữa nghiên cứu tổng quan về lý thuyết, nghiên cứu mô phỏng bằng chương trình máy tính để giải quyết các nội dung của đề tài đề xuất

5 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ TÍNH THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI Ý nghĩa của đề tài “Phân tích ảnh hưởng của sự thay đổi nhiệt độ đến ứng suất và biến dạng của cầu toàn khối một nhịp tại Nam Bộ, Việt Nam”:

 Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng sự thay đổi nhiệt độ ảnh hưởng đáng kể đến ứng suất, biến dạng của mố, móng CTK

 Sự làm việc của kết cấu móng cọc dưới ảnh hưởng của tác động có tính chất chu kỳ như nhiệt độ thay đổi cần được xem xét trong đánh giá ứng suất, biến dạng và tuổi thọ của kết cấu

 Nghiên cứu chứng minh việc phân tích tham số CTK bằng sơ đồ tính phần tử hữu hạn 3D có thể dựa trên các tính năng mạnh mẽ của chương trình ANSYS

6 NỘI DUNG ĐỀ TÀI Nội dung đề tài gồm: phần mở đầu, 3 chương nội dung chính, phần kết luận , phần kiến nghị, phần tài liệu tham khảo và phần phụ lục

PHẦN MỞ ĐẦU: Nêu lý do chọn đề tài, mục đích nghiên cứu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu, phương pháp nghiên cứu, ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn của đề tài

Trang 22

HV: Nguyễn Văn Toản MSHV: 7140679 PHẦN NỘI DUNG CHÍNH:

Chương 1: Giới thiệu đối tượng nghiên cứu, tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu Chương 2: Tổng quan cơ sở lý thuyết về CTK, mỏi của cọc thép trong CTK,

tương tác giữa mố móng và đất nền dưới tác động của nhiệt độ thay đổi có tính tuần hoàn

Chương 3: Phân tích tham số nghiên cứu bằng chương trình ANSYS PHẦN KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ:

Nhận xét, đánh giá và rút ra kết luận về ảnh hưởng của nhiệt độ tác động nhiệt thay đổi, có xét đến tính chất lặp lại tới ứng suất và biến dạng của mố, móng cọc và dầm Đồng thời đề nghị định hướng nghiên cứu tiếp sau nghiên cứu này

Trang 23

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Cầu toàn khối (CTK) được manh nha từ cuối của thế kỷ XX, đã trở nên ngày một phổ biến trên thế giới Cầu toàn khối đang được xem xét như là một lựa chọn phù hợp để thay thế một số dạng cầu truyền thống bởi vì những lợi ích về kỹ thuật và kinh tế mà CTK mang lại (Peter Collin et al, International Workshop on IABs, 2006) Sự ảnh hưởng của nhiệt độ theo ngày, theo mùa lên CTK như là một nguyên nhân gây ra tải trọng chu kỳ do kết cấu biến dạng khi nhiệt độ thay đổi Kết quả này ảnh hưởng đáng kể trong sự tương tác giữa đất-kết cấu của CTK, đặc biệt là nó có thể gây ra lực lên đất phía sau mố vượt quá giới hạn cho phép, hoặc làm giảm tuổi thọ và phá hoại mỏi cọc móng theo thời gian [1][20][25]

Hình 1 1 CTK được xây dựng tại Nova Scotia, Canada

Bên cạnh đó, sự hiểu biết về ứng xử của kết cấu CTK hiện nay là chưa đầy đủ Điều này do tính phức tạp của tổng thể CTK và chúng cần được nghiên cứu một

Trang 24

HV: Nguyễn Văn Toản MSHV: 7140679 cách rõ ràng trong đó cần cân nhắc nghiên cứu sự tương tác giữa đất và kết cấu (Peter Collin et al, International Workshop on IABs, 2006)

Các sơ đồ tính toán khi đưa vào áp dụng đều kèm theo các giản ước nhất định không thể bao quát được hết các yếu tố nhiều mặt trong thực tiễn và các số liệu tổng kết từ những công trình cụ thể cũng không thể đại diện được hết mọi điều kiện thực tiễn Chính vì vậy các kết luận chưa thể là bao quát chung cho mọi trường hợp

Dựa trên những tài liệu nghiên cứu được, vấn đề mỏi của kết cấu CTK dưới ảnh hưởng của nhiệt độ là điều cần được quan tâm, đặc biệt là trong điều kiện nhiệt độ thay đổi phức tạp Nhiều nghiên cứu nhấn mạnh rằng ứng suất xuất hiện trong cọc đều chịu ảnh hưởng của tính chất có chu kỳ của nguyên nhân tác động Mặc dù vậy, chưa có nghiên cứu toàn diện nào xem xét về mối quan hệ giữa mỏi trong cọc CTK và chu kỳ tác động của nhiệt độ trong điều kiện của Nam Bộ, Việt Nam Kể cả trong tiêu chuẩn thiết kế cầu AASHTO LRFD cũng chưa đề cập đến trường hợp tải trọng nhiệt trong tổ hợp TTGH về mỏi

Hình 1.2 Dạng CTK một nhịp trên hệ móng cọc một hàng học

Hình 1.3 Dạng CTK một nhịp không sử dụng móng cọc

Trang 25

1.2 CẦU MỐ TOÀN KHỐI

Đối với cầu truyền thống một nhịp giản đơn cho phép xoay tự do đầu cầu Khe co dãn và gối thường được sắp xếp để cho phép biến dạng dọc và đôi khi theo hướng ngang của cây cầu do sự thay đổi nhiệt độ Khi kết cấu phần trên của CTK được ngàm chặt vào kết cấu phần dưới, tất cả các chuyển vị tịnh tiến và xoay của kết cấu phần trên được truyền tới kết cấu phần dưới

Hình 1 4 Bố trí kết cấu của cầu truyền thống và CTK

Do nhiệt độ tăng lên Do nhiệt độ giảm (hoặc hoạt tải)

Hình 1 5 Xu thế biến dạng của CTK một nhịp do nhiệt độ thay đổi

Trong biến dạng do nhiệt, mố cầu chuyển dịch vào đất đắp, phản lực của đất tác động lên mố là áp lực đất bị động Những chuyển vị của kết cấu phần trên bị hạn chế bởi độ cứng của mố cầu và do áp lực đất tác động lên mố cầu Điều này gây ra một sự tương tác của kết cấu phần trên, kết cấu phần dưới và đất xung quanh

Trang 26

Hình 1 6 Sơ đồ hình học và sơ đồ tính của cầu truyền thống và CTK một nhịp

1.2.1 Thuận lợi và khó khăn của cầu mố toàn khối Những thuận lợi được đúc kết từ việc xây dựng cầu toàn khối ở các nước khác như: Loại bỏ hoàn toàn khe biến dạng và gối cầu; đơn giản hóa kết cấu phần dưới; nhanh hơn và đơn giản hóa quá trình xây dựng; giúp thanh mảnh hơn kết cấu phần trên; giảm chiều dài và độ dốc đường dẫn lên cầu; lái xe êm thuận; loại bỏ các chi tiết có vấn đề như khe biến dạng

Tuy nhiên, bên cạnh những yếu tố thuận lợi thì có một số khó khăn như: Tăng lực tương tác giữa đất và mố có thể gây nứt mố; nứt trong kết cấu áo đường phía sau mố dẫn tới nứt bản quá độ; một số vấn đề về ứng suất biến dạng chưa nghiên cứu rõ dưới ảnh hưởng của nhiệt độ; vấn đề liên quan đến thi công trong điều kiện phức tạp

Tổng quan về phương diện thi công, khai thác, CTK được đánh giá là đơn giản, tuy nhiên do tính đặc thù của tính làm việc “toàn khối” mà khi nghiên cứu sâu các yếu tố ảnh hưởng đến loại công trình này có một số vấn đề khó khăn, đánh giá và không dễ để đưa ra được một thiết kế nào phù hợp chung cho nhiều điều kiện tự nhiên khác nhau Các vấn đề chủ yếu tác động đến CTK mà cần nghiên cứu đánh giá kỹ lưỡng gồm:

Trang 27

HV: Nguyễn Văn Toản MSHV: 7140679 - Các tác động liên quan đến môi trường: nhiệt độ, độ ẩm, từ biến, co ngót,

lún - Mối tương tác giữa đất và kết cấu: tương tác giữa đất đầu cầu và tường mố,

tương tác giữa đất nền và cọc - Độ dẻo của kết cấu bên dưới: vấn đề về cọc móng, tỷ lệ độ cứng giữa kết cấu

phần trên và kết cấu phần dưới - Các phương án về hệ thống móng mố - Các vấn đề liên quan tới tải trọng có chu kỳ - Các yếu tố hình học của cầu trên đường: độ chéo, độ cong, độ dốc - Các vấn đề liên quan đến cấu tạo: liên quan tới liên tục hóa các dầm chủ, cấu

tạo tại mố, tường cánh, nền đắp, chốt liên kết, chi tiết phụ trợ, - Các vấn đề về liên quan đến thi công trong điều kiện phức tạp 1.2.2 Vật liệu của cọc trong cầu toàn khối

Trên quan điểm tạo được độ dẻo tối đa cho hệ mố cầu nên cọc thép được áp dụng rộng rãi trong các CTK ở Hoa Kỳ (tiêu biểu là cọc thép chữ H cánh rộng, ống thép nhồi bê tông) Bên cạnh đó, cọc bê tông cũng được sử dụng nhưng không phổ biến bằng cọc thép, chỉ áp dụng khi chuyển dịch ở mố nhỏ (Precast/Prestressed Integral Bridge USA, 2001)

Cọc thép có tính năng phù hợp hơn nhưng vấn đề chống rỉ cho cọc thép là phức tạp và tốn kém hơn nhiều so với cọc bê tông Tuy vậy, việc sử dụng cọc bằng ống thép nhồi bê tông cũng bắt đầu đã áp dụng tại nhiều nước, khi thiết kế cọc cần tính đến chiều dày ăn mòn dự phòng [2] [11]

Vì vậy, vấn đề đưa ra là giải pháp thiết kế nào để đảm bảo cọc không chịu uốn quá mức, trong phạm vi đầu cọc đủ độ dẻo khi uốn, bên cạnh việc đảm bảo điều kiện va đập, xung kích khi thi công đối với cọc đóng Trong một nghiên cứu của Kamel và cộng sự có đề cập đến điều chỉnh bước xoắn cốt đai làm ảnh hưởng tới độ dẻo khi uốn của cọc BTCT DƯL 30x30cm [8]

Trang 28

Hình 1 7 Kết quả thí nghiệm tải trọng/biến dạng cho cọc thép và bê tông (Kamel)

1.3 TƯƠNG TÁC GIỮA ĐẤT VÀ MỐ, CỌC CẦU TOÀN KHỐI

Mối tương tác giữa đất và móng-mố có ảnh hưởng lớn tới sự làm việc của CTK Đồng thời, đó lại là điều khó dự đoán nhất vì phản lực đất là hàm số không tuyến tính của độ dịch chuyển và hình dáng biến dạng của tường mố Các yếu tố ảnh hưởng đến sự tương tác đất/móng-mố bao gồm tường mố, cọc và cách bố trí cọc, tường cánh, bản lên cầu, đặc trưng của đất (đầu tiên là độ cứng của đất), độ dịch chuyển tổng cộng, và độ cứng của kết cấu nhịp

Độ dịch chuyển của móng-mố là kết quả của hai tác động: dịch chuyển do nhiệt của kết cấu nhịp và sự dãn nở thể tích cọc có liên quan tới nhiệt độ Dãn dài của cầu đẩy mố dịch chuyển về phía nền đất đắp, tác động tới áp lực đất lên mố, lên cọc, lên tường mố và tường cánh và làm dịch chuyển bản quá độ

Trang 29

Hình 1 8 Chuyển vị của mố do tác động của gradient nhiệt và độ lệch tâm giữa áp lực đất

và lực dọc trục trong kết cấu nhịp

Áp lực của đất lên mố là yếu tố luôn được quan tâm nghiên cứu vì nó quyết định sự chống đỡ dịch chuyển và xoay chuyển của mố và cũng là thông số để thiết kế tường mố Áp lực đất tính quá lớn là không an toàn, nếu khi thiết kế xét tới tác dụng ngược chiều của áp lực đất đối với mô men do tĩnh tải và hoạt tải gây ra trong kết cấu bên trên Tính quá thấp cũng có thể ảnh hưởng tới độ an toàn của cấu tạo tường mố Vì áp lực đất phụ thuộc và sự biến dạng của tường mố, phân bố của áp lực trên mố thực chất không phải là tuyến tính như thường giả định để giản đơn hóa thiết kế Nghiên cứu cho thấy để áp lực đất phát huy tới mức hoàn toàn bị động, chuyển dịch tại mố phải đạt tới mức bằng 1~4% chiều cao của tường mố (tùy đặc điểm của đất), cũng có nghĩa là áp lực đó phụ thuộc vào tỷ lệ da/Ha (da là dộ dịch chuyển và Ha là chiều cao mố) Với chiều cao mố khoảng 2.50m của CTK thông thường và độ dịch chuyển quy định là 2.5cm (da/Ha =1%), đã có khả năng phát sinh áp lực bị động hoàn toàn (Kp) [4]

Khuyến cáo nên hạn chế phát huy áp lực đất ở mức 2/3 mức bị động hoàn toàn để quy định chiều dài hạn chế của cầu và có thể bỏ qua không xét tới áp lực đất trong thiết kế cầu nhiều nhịp và cầu một nhịp ngắn (Burke, 1995) Các nghiên cứu đã tiến hành cho thấy độ cứng của đất là yếu tố ảnh hưởng đáng kể tới áp lực đất lên hệ thống mố Mức độ đầm chặt, tỷ trọng đất là dấu hiệu về độ cứng của đất Đất

Trang 30

HV: Nguyễn Văn Toản MSHV: 7140679 chặt hơn tạo nên sức kháng lớn hơn đối với dịch chuyển do nhiệt và kết quả là phát huy các áp lực lớn lên hệ mố Điều đó cũng tạo nên lực dọc trục lớn hơn lên kết cấu nhịp và độ xoay chuyển lớn hơn của mố từ đó ảnh hưởng tới mô men trong kết cấu nhịp

Mối tương tác đất/cọc cũng tương tự như mối tương tác đất/tường mố, nhưng qua nghiên cứu thấy tương tác đất/cọc có ảnh hưởng nhỏ hơn nhiều khi xét đến hoạt động tổng thể của cầu Bởi vậy tương tác đất/cọc chủ yếu ảnh hưởng tới ứng suất trong cọc Độ cứng của đất và sự biến dạng của cọc có tác động lớn tới sự phát triển ứng suất, nguy cơ bị mỏi của vật liệu cọc [10][11]

Khi mố chịu dịch chuyển ngang, cọc bị uốn cong và sức chịu tải của cọc giảm do một số nguyên nhân: (1) cọc vừa chịu nén vừa chịu uốn làm giảm sức chịu tải của cọc; (2) cọc bị chuyển động có thể ảnh hưởng tới khả năng chịu tải do ma sát Cuối cùng, hệ cọc phải chịu thêm một lực thẳng đứng để đảm bảo ổn định tĩnh học của hệ kết cấu Dãn nở nhiệt tạo ra một lực nằm ngang trong kết cấu nhịp Lực này lệch tâm so với hợp lực áp suất đất làm nảy sinh một mô men lật khiến phát sinh thêm một lực dọc trục trong cọc để cân bằng Lực tăng thêm này, gọi là “tải trọng nhiệt”, có trường hợp chiếm tới 24% tải trọng cọc phải chịu (Franco, 1999)

Hình 1 9 So sánh mức độ biến dạng của cọc CTK trong trường hợp đất có độ chặt khác

nhau

Trang 31

HV: Nguyễn Văn Toản MSHV: 7140679 Nghiên cứu trên mô hình PTHH (Faraji et al, 2001) cho thấy lực dọc trục trong kết cấu nhịp biến đổi không nhiều khi tăng độ chặt của đất cạnh tường mố, nhưng có ảnh hưởng tới ứng suất trong cọc Nhiều nghiên cứu thống nhất nhận định là độ cứng của đất gần phía đầu cọc ảnh lớn nhất tới ứng suất của cọc, vì dịch chuyển ngang của phía dưới cọc nhỏ hơn nhiều Thí nghiệm của Kamel và cộng sự (1996) xác định là dịch chuyển của cọc phụ thuộc vào độ cứng của đất trong phạm vi 3m phía trên Độ cứng của đất ở độ sâu dưới đó có tác động không đáng kể

Tuy nhiên quy định chung thiết kế CTK là phải đảm bảo khả năng thích ứng với độ dịch chuyển tối đa ở mố bằng độ dẻo chịu uốn của hệ móng cọc hoặc khả năng dịch chuyển an toàn của hệ mố mở rộng, đồng thời cũng cần hạn chế độ dịch chuyển tối đa ở mố vào khoảng 25mm khi là móng một hàng cọc và ¼ lần trị số trên (6mm) khi là mố mở rộng (The FHWA Conference, 2005) [20]

1.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG

CTK là một kiểu cầu mới hình thành do sự thay đổi mối liên kết giữa kết cấu phần trên và kết cấu phần dưới, chính điều này đã phát sinh một số vấn đề kỹ thuật của CTK mà trong đó có một tồn tại một vài vấn đề chưa được làm rõ Đặc biệt là các vấn đề liên quan đến ứng suất biến dạng của kết cấu cầu phụ thuộc vào sự tương tác giữa đất-kết cấu xem xét trong các điều kiện khác nhau

Một số nghiên cứu báo cáo đã đề cập CTK dưới ảnh hưởng của nhiệt độ thay đổi Hơn nữa, nhiệt độ thay đổi làm tương tác giữa đất-kết cấu CTK cũng thay đổi theo Ngoài ra, ứng suất xuất hiện trong cọc chịu ảnh hưởng của nguyên nhân tác động có tính chất chu kỳ Tuy nhiên, chưa có nghiên cứu toàn diện nào xem xét về mối quan hệ giữa mỏi trong cọc CTK và chu kỳ tác động Kể cả trong tiêu chuẩn thiết kế cầu AASHTO LRFD cũng chưa đề cập đến trường hợp tải trọng nhiệt trong tổ hợp TTGH về mỏi

Trang 32

KHỐI 2.1 TRUYỀN NHIỆT TRONG KẾT CẤU CẦU

Biến thiên nhiệt độ trong kết cấu CTK, đầu tiên ở kết cấu phần trên tạo sự làm việc khác biệt của CTK Nhiệt độ tăng làm cầu dãn nở, nhiệt độ giảm làm cầu co ngắn Trong cầu truyền thống, độ co dãn đó được các khe co dãn điều hòa nên không phát sinh ứng suất trong cầu Ở CTK, mọi khe co dãn đã bị loại bỏ, dịch chuyển của kết cấu phần trên được truyền thẳng qua mố cầu vào nền đất đắp [1]

Hình 2 1 Ảnh hưởng của nhiệt độ thay đổi lên CTK

Hình 2 2 Dãn nở vì nhiệt của CTK theo các phương

Nhiệt độ của kết cấu tại một địa điểm cụ thể được xác định bởi các điều kiện khí hậu thay đổi liên tục Mặc dù các điều kiện là phức tạp, nhưng cũng thể thấy các

Trang 33

HV: Nguyễn Văn Toản MSHV: 7140679 yếu tố chính ảnh hưởng tới nhiệt độ của kết cấu bao gồm: nhiệt độ ngày đêm, bức xạ mặt trời, tốc độ gió, mưa, thuộc tính của vật liệu và điều kiện khí hậu khác (Arsoy Sami et al, 1999) Sự phân bố nhiệt rải theo chiều cao một dầm cầu tổng hợp các yếu tố trên tạo nên một sự phân bố nhiệt phức tạp (Emerson, 1976) thể hiện trên hình vẽ sau:

Hình 2 3 Sự phân bố nhiệt độ rải đều theo chiều cao kết cấu (Emerson, 1976)

Biến thiên nhiệt độ được xử lý theo hai nhóm: (1) Nhiệt độ trung bình của cầu (TM, mean bridge temperature), còn được AASHTO LRFD gọi là nhiệt độ đồng đều trên mặt cắt (TU, uniform temperature) và (2) Gradien nhiệt (TG, temperature gradient), chênh lệch nhiệt theo chiều cao tiết diện

Tổng chuyển vị thiết kế do nhiệt (design thermal movement range) được xác định bằng công thức: ΔL = α*Lgn*(TmaxTK – TminTK) Trong đó, Lgn = chiều dài dãn nở (mm); α = hệ số dãn nở vì nhiệt (mm/mm/ºC), αconcrete = 9E-6, αsteel = 12E-6; TmaxTK = nhiệt độ thiết kế tối đa, TminTK = nhiệt độ thiết kế tối thiểu (AASHTO LRFD, 2007) [27]

Gradien nhiệt theo chiều thẳng đứng của tiết diện kết cấu phần trên bê tông hoặc liên hợp thép-bê tông phải được xét trong cả hai điều kiện khí hậu chênh lệch dương (mặt trên nóng hơn) và chênh lệch âm (mặt trên lạnh hơn) Theo 22TCN272-05, điểm {T1, T2, T3} là các trị số trong biểu đồ gradient nhiệt theo chiều cao trong tiết diện kết cấu phần trên [28]

Trang 34

Kích thước ″A″ trong hình được xác định như sau:

A = 300 mm cho kết cấu nhịp BTCT có chiều cao 400 mm hay lớn hơn;

Đối với mặt cắt BTCT có chiều cao thấp hơn 400 mm thì lấy nhỏ hơn chiều cao thực tế 100 mm;

Đối với kết cấu nhịp thép-bê tông liên hợp hợp cự ly “t” phải lấy bằng chiều dày bản mặt cầu bê tông.

Hình 2 4 Phân bố gradient nhiệt trên mặt cắt ngang kết cấu nhịp (22TCN272, 2005) Bảng 2 1 Gradient nhiệt theo phương thẳng đứng trong kết cấu nhịp thép và bê tông

2.2 TƯƠNG TÁC GIỮA KẾT CẤU PHẦN TRÊN VÀ MỐ MÓNG

Phương pháp để giải quyết bài toán tương tác kết cấu – đất có thể được chia thành 2 nhóm: phương pháp trực tiếp (direct approach) và phương pháp kết cấu bên dưới (substructure approach) [14]

Các thiết kế hầu như đều giả thiết móng của kết cấu ngàm chặt vào đất nền (Zhang et al, 1998 & Celebi, 2001) Tuy nhiên nhiều nghiên cứu mới chỉ ra rằng tương tác giữa kết cấu và đất (SSI, soil-structure interaction) đóng vai trò quan trọng trong phản ứng của hệ kết cấu do khối lượng và độ cứng của kết cấu và đặc biệt là độ cứng của đất

Độ cứng kết cấu tăng lên ảnh hưởng đến tương tác kết cấu móng bè cọc – đất nền cũng tăng theo, đối với nhà khung cứng chỉ xét tập trung ảnh hưởng của tính

Trang 35

HV: Nguyễn Văn Toản MSHV: 7140679 chất đất, độ cứng kết cấu và chiều sâu chôn cọc (Lu et al, 2003) Sự khác nhau giữa ứng xử của cọc đơn và nhóm cọc là ứng xử nhóm cọc bị ảnh hưởng bởi tương tác cọc đất phi tuyến, ảnh hưởng của bệ cọc, khoảng cách cọc, cách bố trí cọc (Charles et al, 2001)

Một số phương pháp phân tích để dự doán ứng suất, biến dạng, chuyển vị của cọc đơn chịu tải ngang bao gồm:

- Phương pháp Winkler - Phương pháp đường cong p – y - Phương pháp đàn hồi liên tục - Phương pháp sơ đồ phần tử hữu hạn 2.2.1 Phương pháp Winkler

Phương pháp Winkler còn gọi là phương pháp hệ số nền, đây là phương pháp cổ điển để dự đoán biến dạng cọc và mô men uốn Phương pháp này sử dụng một chuỗi những lò xo tuyến tính (linear springs) không liên kết để mô phỏng độ cứng của đất xung quanh cọc Trong đó Kh là hệ số nền với đơn vị lực trên diện tích Dựa vào mô hình trên ứng xử của cọc đơn có thể được giải quyết bằng bài toán dầm đàn hồi trên nền đàn hồi (Hetenyi, 1946) Phương trình vi phân bậc bốn của dầm chịu uốn như sau:

Giả thiết Kh là hằng số trong đất sét và biến thiên tuyến tính trong đất rời Lời giải của phương trình (2.1) được đưa ra dựa trên giả thiết tối giản hóa

Trang 36

HV: Nguyễn Văn Toản MSHV: 7140679 Kh theo độ sâu của đất Biến dạng cọc, độ dốc đường cong biến dạng và mô men dựa trên độ sâu và một hệ số không thứ nguyên của Kh với độ sâu đã được nghiên cứu và kết quả đưa ra dưới dạng toán đồ (Poulos, Davis, 1980 và Prakash, Sharma, 1990)

Phương pháp Winkler có những thiếu sót về mặt lý thuyết và những giới hạn của nó Một số hạn chế của phương pháp này: hệ số nền của đất phải có tính chất đồng nhất, bỏ qua lực nén dọc trục của cọc và mô hình sử dụng là không liên tục Vì vậy, lò xo đàn hồi tuyến tính trong mô hình Winkler tách biệt với ứng suất và biến dạng của những điểm khác theo trên cọc

2.2.2 Phương pháp đường cong p - y Phương pháp phân tích đường cong p-y là phương pháp dựa trên cách tiếp cận sai phân hữu hạn để giải phương trình biến dạng của dầm bằng tải trọng phi tuyến và đường cong biến dạng trong mô hình hóa đất nền (McClelland & Focht, 1956) Sự phát triển của chương trình COM624 (Wang & Reese 1993) và LPILE Plus3.0 (Reese et al., 1997) đã giúp phương pháp p-y có nhiều ứng dụng mạnh mẽ hơn

Phương pháp p-y để phân tích phản ứng của cọc chịu tải ngang dựa trên việc phát triển mô hình Winkler cơ bản, trong đó p là áp lực đất trên đơn vị chiều dài của cọc và y là biến dạng của cọc Đất nền được mô hình hóa bằng hàm số p-y phi tuyến thay đổi theo chiều sâu của cọc Hình dạng của đường p-y được xác định từ thí nghiệm hiện trường Reese (1977) đã phát triển một số đường cong kinh nghiệm cho những loại đất phổ biến bằng thực nghiệm trên những cọc thực tế Mô hình thường dùng nhất của đường cong p-y là parabol bậc ba có dạng giải tích:

1ult50

Trang 37

HV: Nguyễn Văn Toản MSHV: 7140679 Cọc được chia ra thành những phần tử nhỏ và đất nền mô phỏng bằng đường cong p-y Trong cách này lực dọc trục Q của cọc giả thiết không đổi trong suốt chiều dài, điều này không ảnh hưởng nhiều đến kết quả vì lực dọc có ít ảnh hưởng đến moment uốn (Reese, 1977)

Hình 2 5 Mô hình đường cong p-y

Phương pháp p-y cho kết quả tốt hơn phương pháp Winkler vì có kể đến ứng xử phi tuyến của đất và không bị giới hạn về mặt số học Một số hạn chế của phương pháp p-y như thuộc tính đất thay đổi theo vùng địa lý, tính liên tục tự nhiên của đất dọc theo chiều sâu cọc chưa được mô tả đầy đủ

2.2.3 Mô hình đàn hồi tuyến tính Mô hình đàn hồi tuyến tính là mô hình đặc tính đất cơ bản nhất, tuân theo định luật Hook về đàn hồi tuyến tính đẳng hướng Các thông số chính của mô hình: Module đàn hồi (E) và hệ số Poisson (ν) Cặp thông số này được sử dụng để mô phỏng đặc tính của đất trong những điều kiện đặc biệt

2.2.4 Mô hình Mohr – Coulomb và Drucker – Prager Mô hình Mohr - Coulomb (MC) là mô hình gần đúng về mối quan hệ của đất Đây là mô hình đàn – dẻo lý tưởng dựa trên cơ sở định luật Hook kết hợp với tiêu chuẩn phá hoại Mohr - Coulomb Trong mô hình đàn – dẻo lý tưởng, biến dạng và tốc độ biến dạng được phân tích thành hai thành phần: phần đàn hồi và phần thuần dẻo Định luật Hook được sử dụng để thể hiện mối quan hệ giữa gia tăng ứng suất

Trang 38

HV: Nguyễn Văn Toản MSHV: 7140679 và biến dạng Mô hình gồm 5 thông số cơ bản: Module đàn hồi E, hệ số Poisson ν, lực dính của đất c, góc ma sát trong φ và góc nở của đất ψ

Hình 2 6 Quan hệ giữa ứng suất và biến dạng của đất trong mô hình Mohr – Coulomb

đàn dẻo lý tưởng (PLAXIS Manual)

 Ưu điểm của mô hình Mohr – Coulomb: Mô hình đơn giản và rõ ràng (mô hình đàn dẻo lý tưởng) Phù hợp với nhiều ứng dụng trong thực tế Các thông số rõ ràng và xác định được qua các thí nghiệm đơn giản Mô tả tốt ứng xử phá hoại của đất (thoát nước) Góc dãn nở của đất được kể đến

 Nhược điểm của mô hình Mohr – Coulomb: Ứng xử của đất là đồng nhất và đẳng hướng Ứng xử đàn hồi tuyến tính cho đến khi chảy dẻo Không mô tả được ứng suất phụ thuộc vào độ cứng Không phân biệt giữa tải ban đầu, quá trình dỡ tải và gia tải lại Biến dạng vẫn có thể tiếp tục tăng khi ứng suất không thay đổi

Ứng xử của đất nền dưới trạng thái giới hạn chảy dẻo được coi là ứng xử đàn hồi tuyến tính tuân theo định luật Hooke với các đặc trưng cơ bản là Module đàn hồi và hệ số poisson Trong thực tế đất nền có ứng xử phi tuyến ngay cả khi chưa phá hoại nên mô hình này có khả năng hạn chế trong việc dự tính biến dạng của nền

Mô hình Drucker-Prager cổ điển (DP) áp dụng phù hợp đối các vật liệu rời rạc và tương tác của vật liệu rời như đất đá, bê tông Mặt giới hạn của mô hình DP là một hình nón ngoại tiếp xấp xỉ mặt giới hạn trong mô hình MC Tham số vật lý của vật liệu trong mô hình DP gồm có: (1) lực dính; (2) góc ma sát trong; (3) góc nở

Trang 39

HV: Nguyễn Văn Toản MSHV: 7140679 Mức độ trương nở (gia tăng thể tích vật liệu tới trạng thái giới hạn chảy) có thể điều khiển qua góc nở (ψ) Nếu góc nở bằng góc tiếp xúc, quy luật chảy là chảy dẻo kết hợp Ngược lại, khi góc nở nhỏ hơn góc tiếp xúc hoặc bằng không, hầu như vật liệu không có sự thay đổi thể tích, quy luật chảy dẻo là phi kết hợp

Hình 2 7 Ứng xử dẻo của phần tử trong quá trình cắt (The Engineering of Foundations)

Nhìn chung, về cơ bản hai mô hình MC và DP là giống nhau, đều là áp lực phụ thuộc Tuy nhiên, cường độ giới hạn của vật liệu trong cả hai mô hình có sự khác nhau: Cường độ giới hạn kéo và nén là bằng nhau trong mô hình MC nhưng khác nhau trong DP Mặt chảy trong mô hình DP bao gồm 2 hình nón đồng trục: hình nón ngoài thể hiện cường độ nén giới hạn và hình nón trong thể hiện cường độ kéo giới hạn Các hình nón này đều ngoại tiếp hình chóp lục lăng là mặt giới hạn chảy của mô hình MC

Hình 2 8 Mặt ứng suất chảy dẻo trong mô hình MC và DP

Trang 40

2.3 PHÂN TÍCH MỎI CỦA CỌC CẦU TOÀN KHỐI

Một vấn đề lớn trong thiết kế kết cấu chịu tải trọng lặp là bảo đảm kết cấu không bị phá hoại do mỏi Việc phân tích mỏi và dự báo mỏi theo tuổi thọ của kết cấu là hết sức cần thiết Trong cả hai phân tích theo hệ số an toàn và phân tích theo mức độ hư hại đều gặp chung một vấn đề khó khăn chung là xử lý dữ liệu của mô hình ngẫu nhiên

2.3.1 Mỏi của kết cấu Mỏi (fatigue) của kết cấu có thể hiểu là sự phá hoại của kết cấu dưới tải trọng có tính chất chu kỳ, cường độ thay đổi tuần hoàn theo thời gian Cụ thể kết cấu có thể bị phá hủy dưới tải trọng lặp trong thời gian đủ lớn, mặc dù biên độ của tải trọng có thể chưa đạt tới ngưỡng sức chịu đựng của vật liệu

Hình 2 9 Sự biến thiên ứng suất trong kết cấu chịu tải trọng thay đổi tuần hoàn theo thời

gian và mối quan hệ ứng suất biến dạng khi phá hoại mỏi xảy ra

Đối với kết cấu bằng thép, do tính chất cứng nguội thép có thể trở nên giòn hơn, vì vậy, sự phá hoại về mỏi trong kết cấu bằng thép cần đáng được quan tâm nhiều Sự phá hoại mỏi có thể chia thành 3 giai đoạn như sau: (1) Dưới tải trọng tuần hoàn, nứt bắt đầu từ một điểm đạt tới giới hạn đầu tiên; (2) Tải trọng tuần hoàn tiếp tục lặp lại và vết nứt lan rộng ra; (3) Tới lúc vết nứt đủ lớn thì kết cấu phá hủy

Vì vậy, ngoài giá trị của tải tác động thì số lần tải tác động lên kết cấu là yếu tố quan trọng gây nên mỏi, nếu xét theo thời gian thì tuổi thọ của kết cấu có thể được xác định thông qua số chu kỳ của tải