CHƯƠNG MỞ ĐẦU: Trong những năm gần đây, cầu thép - bê tông liên hợp đã được sử dụng nhiều ở các nước trên thế giới như Mỹ, Anh, Pháp, Đức, Trung Quốc, Nhật, Hàn Quốc… Ở Việt Nam, cho đến
Tính c ấp thiết của đề tài
Trong những năm gần đây, cầu thép - bê tông liên hợp đã được sử dụng nhiều ở các nước trên thế giới như Mỹ, Anh, Pháp, Đức, Trung Quốc, Nhật, Hàn
Quốc… Ở Việt Nam, cho đến nay kết cấu cầu này vẫn chưa được sử dụng nhiều vì các lý do như chế tạo, cung cấp cấu kiện, nhà thầu thi công, biện pháp chống cháy…Tuy nhiên, với những tiến bộ khoa học của ngành xây dựng cầu và tốc độ phát triển xây dựng như hiện nay, đặc biệt là đòi hỏi giao thông nhiều tầng ở các đô thị lớn ở nước ta với các ưu việt về kinh tế kỹ thuật của kết cấu thép - bê tông liên hợp, thì trong tương lai gần loại kết cấu này chắc chắn sẽ được áp dụng rộng rãi trong các công trình cầu
Kết cấu ống thép nhồi bê tông (concrete - filled steel tube - CFT) là kết cấu mà trong đó người ta nhồi bê tông vào trong các ống thép mỏng để hai vật liệu cùng tham gia làm việc Hệ thống kết cấu ống thép nhồi bê tông (CFT) có ưu điểm là phát huy được khả năng chịu lực của vật liệu thép và bê tông; đồng thời sự tương tác giữa hai loại vật liệu này làm tăng độ dẻo và độ ổn định của kết cấu Đặc điểm chung của hệ thống CFT là có độ cứng, cường độ, khảnăng chống biến dạng và khả năng chống cháy
Trên cơ sở đặc tính ưu việt của kết cấu ống thép nhồi bê tông (CFT), tác giả chọn đề tài “Nghiên c ứu cầu dầm ống thép nhồi bê tông (CFT)” Hiện nay loại kết cấu CFT đã có nhiều nghiên cứu nhưng thực tếchưa triển khai áp dụng vào dầm cầu ở Việt Nam Đây là động cơ để tác giả quan tâm đề tài này.
M ục đích nghiên cứu
Kết cấu dầm cầu thông thường dùng vật liệu là thép hoặc bê tông cốt thép
Dựa trên những ưu điểm của công nghệ ống thép nhồi bê tông, tác giả nghiên cứu phân tích cơ chế làm việc của dầm được xây dựng theo công nghệống thép nhồi bê tông (CFT) Vật liệu làm dầm là sự kết hợp giữa hai loại vật liệu xây dựng là thép và bê tông Phân tích cơ chế chịu lực của dầm CFT để so sánh với dầm thép - bê tông liên hợp truyền thống và đưa ra những kiến nghị đề xuất thêm một giải pháp cho việc thiết kế và thi công dầm bằng loại vật liệu CFT để các kỹsư thiết kế lựa chọn.
Phương pháp nghiên cứu
Tác giả tiến hành xây dựng mô hình kết cấu, tính toán và phân tích các mô hình theo phương pháp phần tử hữu hạn thông qua phần mềm Abaqus Các kết quả nội lực và biến dạng được so sánh dưới dạng bảng và đồ thị.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Đây là đề tài nghiên cứu về một loại kết cấu dầm cầu mới nhằm đóng góp những luận điểm khoa học vào cơ sở dữ liệu về dầm cầu làm bằng vật liệu ống thép nhồi bê tông (CFT) Từ đó có thể mở rộng các hướng nghiên cứu để hoàn thiện thêm những hiểu biết về loại kết cấu này.
TỔNG QUAN VỀ CẦU THÉP - BÊ TÔNG LIÊN HỢP VÀ KẾT
T ổng quan về cầu thép – bê tông cốt thép liên hợp
Cấu trúc nhịp thép BTCT liên hợp là dạng kết cấu cầu phổ biến sử dụng cho cả cầu ô tô và cầu đường sắt trên thế giới Kết cấu này là sự liên hợp chặt chẽ giữa vật liệu thép và BTCT, cùng nhau chịu lực Thép thường dùng là thép hình, còn BTCT có thể là BTCT thường hoặc BTCT ứng suất trước.
Kết cấu nhịp thép BTCT liên hợp phổ biến sử dụng dầm thép kết hợp với bản BTCT mặt cầu Dầm thép thường có dạng dầm giản đơn cho nhịp nhỏ và vừa, hoặc dầm liên tục cho nhịp lớn Ngoài ra, kết cấu nhịp thép BTCT liên hợp còn đa dạng với các dạng khác nhau như dàn, khung và vòm, đáp ứng các yêu cầu khác nhau của công trình.
Có thể xem kết cấu nhịp thép BTCT liên hợp là loại trung gian giữa kết cấu nhịp thép và nhịp BTCT
Phân tích sự phát triển kỹ thuật của ngành xây dựng cầu cho thấy kết cấu nhịp thép BTCT liên hợp được ra đời từba xu hướng sau đây:
Sựứng dụng ngày càng rộng rãi BTCT nhằm tiết kiệm thép
Sự hoàn chỉnh phần mặt cầu, dùng mặt cầu bản BTCT có chất lượng tốt và tuổi thọ cao
Sự cố gắng tạo kết cấu nhịp thành một kết cấu không gian làm việc như một kết cấu toàn khối thống nhất chứ không phải là lắp ghép các kết cấu phẳng làm việc riêng rẽ
So với dầm thép và dầm BTCT, dầm thép – BTCT liên hợp có những ưu điểm nổi bật sau:
Khắc phục nhược điểm của dầm thép là giá thành cao, biến dạng lớn, rất nhạy cảm với tải trọng động;
Thuận tiện cho cơ giới hóa thi công Công tác lắp đặt điện nước và hoàn thiện không phải chờ dỡ cốp pha như sàn BTCT toàn khối, nên cho phép rút ngắn thời gian thi công, sớm đưa công trình vào sử dụng Do vậy, dù vật liệu đắt hơn BTCT, nhưng tổng giá thành công trình có thể rẻhơn;
Có khả năng thi công với độ chính xác cao, chất lượng thi công được kiểm soát chặt chẽ, giảm thất thoát vật liệu và giảm nhân công; [1]
1.1.2 Giới thiệu cầu thép – bê tông liên hợp trên thế giới và trong nước
Trên thế giới, đặc biệt ở các nước có ngành công nghiệp luyện kim phát triển, cầu dầm thép BTCT liên hợp được xây dựng khá phổ biến Ở Việt Nam, lịch sử phát triển của cầu thép trải qua nhiều giai đoạn Ở miền Bắc chủ yếu xây dựng các cầu giàn thép, cầu dầm thép chỉ xây dựng được một số cầu như cầu Đò Quan ở Nam Định…Ở miền Nam trong khoảng những năm từ 1960~1975, Mỹđã xây dựng một số cầu dầm thép BTCT liên hợp nhịp liên tục như cầu Đồng Nai, Sài Gòn, Bến Lức, Tân An…Tuy nhiên, do ngành công nghiệp luyện kim và cán thép của Việt Nam chậm phát triển nên cầu thép ngày càng ít được xây dựng
1.1.3 Phân loại cầu thép – bê tông liên hợp
Trong kết cấu nhịp thép BTCT liên hợp, tỷ lệ giữa phần BTCT và phần thép có thể khác nhau Xuất phát từđó, người ta phân chia mức độ của phần BTCT trong kết cấu nhịp thép BTCT liên hợp làm hai loại:
Loại thứ nhất: những kết cấu nhịp chỉ có phần bản mặt cầu bằng BTCT, còn các bộ phận khác hoàn toàn là thép Trường hợp này, kết cấu nhịp gần với kết cấu nhịp thép đơn thuần
Dầm hoặc dàn cầu đi trên có bản mặt cầu BTCT liên hợp với dầm hoặc dàn chủ;
Kết cấu nhịp đi dưới hoặc đi giữa có bản BTCT mặt cầu liên hợp với hệ dầm mặt cầu, và hệ dầm mặt cầu này có thể cùng tham gia chịu lực với dàn chủ hoặc không;
Kết cấu nhịp đi dưới hoặc đi giữa có hệ mặt cầu hoàn toàn bằng BTCT và thường cùng tham gia làm việc với dàn chủ.…
Dạng nhịp thứ hai: những kết cấu nhịp không chỉ có phần mặt cầu làm bằng BTCT mà còn có cả những bộ phận khác như dầm, trụ, móng làm bằng BTCT Trong trường hợp này, kết cấu nhịp có đặc điểm gần với kết cấu nhịp BTCT hơn.
Kết cấu nhịp cầu dầm đi trên, có bản BTCT mặt cầu ở phía trên và bản mặt BTCT ở cảbiên dưới cùng tham gia chịu lực với dầm chủ;
Kết cấu nhịp cầu dàn có hệ mặt cầu và dầm cứng hoặc thanh biên dưới cứng hoàn toàn bằng BTCT;
Kết cấu nhịp có kết cầu mặt cầu là BTCT và một số thanh, bộ phận khác không ở mức mặt cầu cũng làm bằng BTCT
Ngày nay, trong ngành xây dựng cầu, kết cấu nhịp dầm đặc có bản mặt cầu liên hợp hay được sử dụng hơn cả Các loại khác ít được sử dụng [1]
K ết cấu ống thép nhồi bê tông
Kết cấu ống thép nhồi bê tông (concrete-filled steel tube - CFT) là kết cấu mà trong đó người ta nhồi bê tông vào trong các ống thép mỏng để hai vật liệu cùng tham gia làm việc Trong một sốtrường hợp, để phát huy khảnăng làm việc của bê tông, người ta đã đưa thêm cốt thép vào kết cấu ống thép nhồi bê tông
Hệ thống kết cấu ống thép nhồi bê tông (CFT) có ưu điểm là phát huy được khả năng chịu lực của vật liệu thép và bê tông; đồng thời sự tương tác giữa hai loại vật liệu này làm tăng độ dẻo và độ ổn định của kết cấu Thông thường hệ thống kết cấu này dùng dạng ống tròn, hoặc hình vuông, đặc điểm chung của hệ thống này có độ cứng, cường độ, khả năng chống biến dạng và khả năng chống cháy Hệ thống này được áp dụng trong xây dựng dân dụng, công nghiệp, cầu đường Ưu điểm quan trọng hơn hết là kết cấu bê tông ống thép có thể tạo ra được các công trình xây dựng lớn (những cây cầu vòm vượt nhịp lớn, những tháp cao chọc trời…) mà lại có kết cấu mềm mại nhẹ nhàng thanh thoát, phù hợp với kiến trúc đô thị
Hạn chế ván khuôn trong thi công;
Kết cấu ống thép nhồi bê tông có tính chịu mỏi, chịu va đập tốt hơn hẳn kết cấu BTCT thường;
Khả năng vượt nhịp lớn hơn nhiều so với kết cấu BTCT thường, nhờ vào tính dẻo của kết cấu và khảnăng giảm trọng lượng bản thân;
Kết cấu ống thép nhồi bê tông không có cốt thép dọc và cốt thép đai do đó tiết kiệm được thời gian thi công và quá trình đầm nén bê tông cũng dễ dàng
Khi so sánh với kết cấu thép dạng ống thì kết cấu ống thép nhồi bê tông có ưu điểm:
Tăng khả năng chống biến dạng của ống thép do có sự liên kết với lõi bê tông; Độ bền ăn mòn và chống gỉ của mặt trong ống thép cao hơn;
Giảm độ mảnh của cấu kiện;
Khảnăng chịu nhiệt độ tốt hơn
Khi so sánh với kết cấu sử dụng thép hình có mặt cắt hở, kết cấu ống thép nhồi bê tông có ưu điểm:
Mặt ngoài của kết cấu ống thép nhồi bê tông nhỏ hơn do đó chi phí sơn phủ và bảo dưỡng thấp hơn; Độ bền chống rỉ cao hơn;
Khảnăng ổn định đều hơn;
Giảm được ảnh hưởng của tải trọng gió;
Tăng độ cứng chống xoắn [2]
1.2.2 Đặc điểm chịu lực của ống thép nhồi bê tông
Do kết cấu là ống tròn có thể cải thiện được tính chất khí động học và tính ổn định Độ cứng chống xoắn của ống tròn cao hơn nhiều so với thanh mặt cắt hở Các ống thép nhồi bê tông không cần sơn phủ, mạ kim loại hoặc bịt kín mặt trong của ống
Tiết diện ngang kết cấu ống thép nhồi bê tông có thể được giảm do tăng cường độ vật liệu
Các nguyên nhân dao động kết cấu do động đất và gió có thể được giảm do nó được tăng cường độ cứng hơn kết cấu thép thông thường Ảnh hưởng của sự cố cháy có thểđược giảm hoặc bỏ qua do hiệu ứng của bê tông nhồi đặc trong ống thép [2]
1.2.3 Ứng xửcơ học của ống thép nhồi bê tông
Thép và bê tông được biết đến là hai loại vật liệu xây dựng với tính chất cơ học khác nhau Sự kết hợp của hai loại vật liệu trong các cấu kiện liên hợp đã được sử dụng ngày càng tăng trong thập kỷ qua Sự kết hợp giữa thép và bê tông trong các cấu kiện liên hợp tạo ra cường độtăng và độ dẻo cao Ở góc độ cơ học, ứng xử của CFT phụ thuộc vào sự tương tác giữa các vật liệu, mà chủ yếu là chịu ảnh hưởng bởi ba mối quan hệ:
Sựtương tác giữa thép và bê tông;
Sự khác biệt trong hệ số Poisson của thép và bê tông;
Cơ chế phá hủy trong các vật liệu; a S ự tương tác giữa thép và vữa Để làm việc như là một cấu kiện liên hợp, tải trọng phải được truyền qua bề mặt tiếp xúc Tải trọng sẽđược truyền như ứng suất cắt, xem Hình 1.1
Hình 1.1 Sự truyền lực cắt trong bề mặt tiếp xúc
Bốn cơ chế chủ yếu có liên quan đến sự truyền ứng suất cắt tại bề mặt tiếp xúc: Độ
+ Hạt vi mô chèn vào nhau;
U Độ bám dính U : Sự hút của bề mặt tiếp xúc, nơi mà chân không trong các mao mạch do quá trình thủy hóa trong bê tông tạo ra Cơ chế này chỉ hoạt động khi chân không được duy trì Tại một mảnh 0.01 mm trên bề mặt tiếp xúc, lực bám dính bằng không Độ bám dính giảđịnh được bỏ qua
U H ạt vi mô chèn vào nhau U : Sự không đều bề mặt bên trong ống thép, xem Hình 1.2, sẽ hỗ trợ cho sự truyền lực cắt cho đến khi biến dạng cục bộ gây ra sự ép vỡ trong bê tông
Hình 1.2 Hạt vi mô chèn vào nhau do bề mặt không đều
U Ma sát U : Khi hai bề mặt bị nén, ma sát thể hiện sức kháng trượt tiếp tuyến nội
Những ứng suất kéo xuyên tâm trong các bề mặt tiếp xúc do sự co ngót theo phương ngang có tầm quan trọng rất lớn về độ lớn của ma sát Hệ số ma sát là một yếu tố quan trọng khác khi ma sát được xác định Trong nghiên cứu của về CFT chịu tải dọc trục, Johansson [3] đã tìm thấy một giá trị trung bình 0.6 liên quan đến các lực bình thường, độ nhám trên bề mặt bên trong và hệ số trượt của bề mặt tiếp xúc
U Ràng bu ộc hoặc cơ chế cong U : Một hiệu ứng hình học khi ống thép do biến dạng "kẹp" lõi vữa (xảy ra khi biến dạng tổng thể lớn), xem Hình 1.3 Cơ chế ràng buộc là cơ chế truyền lực cắt chi phối đối với CFT chịu uốn thuần túy và không hoạt động trong tải trọng nén dọc trục thuần túy
Cơ chế ràng buộc của khối bê tông cốt thép (CFT) chịu uốn thuần túy bao gồm sự trượt ở vùng có vòng tròn màu đỏ và sự ép chặt ở vùng vòng tròn màu xanh Biến dạng được phóng đại lên 100 lần Sự khác biệt trong hệ số Poisson giữa thép và bê tông cũng đóng vai trò quan trọng trong hành vi ràng buộc của CFT.
Hệ số Poisson, ν, cho bê tông là 0.15-0.20, và 0.30 cho thép Tùy thuộc vào cách thức tải trọng được áp dụng vào mặt cắt ngang CFT, sự khác biệt này sẽ gây ra hoặc phân tách bê tông và thép hoặc nén trong bề mặt tiếp xúc (confinement) Nếu tải dọc trục được áp dụng trên đầu của một mình lõi bê tông, biến dạng xuyên tâm của bê tông sẽ được hạn chế bởi các ống thép, và trạng thái ứng suất nén ba trục sẽ phát triển
Trong trường hợp tải trọng chỉ tác dụng lên ống thép (tải trọng dọc trục), sự co ngót ngang theo hướng xuyên tâm của thép sẽ gây nên sự tách rời giữa lõi bê tông và ống thép.
GIỚI THIỆU CẦU DẦM ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG VÀ
Gi ới thiệu cầu dầm ống thép nhồi bê tông
Hệ cầu liên hợp kết cấu thép-bê tông cốt thép (BTCT) mới đã được phát triển, sử dụng các ống thép làm dầm chính, thấy ở Hình 2.1 Bê tông được đổ vào trong các dầm ống để tăng cường khả năng chịu uốn bằng cách ngăn chặn sự mất ổn định tại chỗ của thép tấm chịu nén Các dầm ống thép nhồi bê tông cũng sẽ giúp giảm tiếng ồn và độ rung do tải trọng gây ra.
Hình 2.1 Khái niệm về hệ thống cầu dầm CFT [4] Ống thép được sản xuất tại các nhà máy thép để giảm số lượng các quá trình hàn và chi phí chế tạo Một lượng hàn nhỏ là đủ để làm cho chúng thành các dầm cầu Do đó, nó kinh tế so với các dầm thép tấm thông thường mà cần sốlượng hàn cực lớn vì bản cánh và bản bụng được hàn toàn bộ và nhiều sườn tăng cường cũng được hàn với bản bụng Các dầm ống được nhồi với các vật liệu bê tông khác nhau tùy thuộc vào vị trí trên nhịp, như thể hiện trong Hình 2.2 Dầm ống gần các gối trung gian (chịu mô men uốn âm) được nhồi với bê tông sử dụng cốt liệu nhẹ với khối lượng riêng khoảng 1.5 T/m3 hoặc bê tông thường (2.4 T/m3), trong khi đó nó được nhồi bằng vữa không khí tại vùng giữa nhịp (chịu mô men uốn dương) để giảm trọng lượng bản thân Vữa không khí là vữa nhẹ trộn với bọt khí trong nó và khối lượng riêng thấp khoảng 1.0 T/m3
Hình 2.2 Khái niệm dầm liên hợp [5]
Trong vùng mô men uốn dương ở giữa nhịp, dầm thép hộp sẽ đóng vai trò là dầm liên hợp Tấm bê tông được đặt trên các dầm ống và liên kết với nhau bằng các đinh tán được hàn trên đỉnh của dầm ống.
Trong vùng mô men uốn âm quanh gối trung gian, bản bê tông trở nên chịu kéo và chỉ có cốt thép chống lại lực kéo Lượng cốt thép đủ được sử dụng để hạn chế các vết nứt bê tông của bản, và các liên kết chịu cắt perfobond được hàn trên dầm ống, như thể hiện trong Hình 2.2 Liên kết chịu cắt perfobond là một tấm thép có lỗvà có độ bền chịu cắt cao hơn đinh tán Hơn nữa, các sợi thép được trộn trong bê tông bản để giảm thiểu các vết nứt bê tông, mà do đó cải thiện độ bền của bản
Sườn Perfobond dạng chữ L được sử dụng như một liên kết cắt để tăng hiệu ứng liên hợp giữa dầm CFT và sàn BTCT Loại sườn này có một gờ gấp ở mép trên của bụng để cải thiện khả năng chịu cắt nhờ tăng diện tích bề mặt Gờ này, do lực neo của nó, ngăn chặn liên kết sườn kéo ra khỏi sàn bê tông khi chịu uốn, vốn là vấn đề chính của liên kết sườn perfobond thông thường do Leonhardt đưa ra.
Hình 2.3 Cơ cấu sức kháng của liên kết sườn perfobond hình ㄱ [4]
Hệ thống cầu mới này đã được đề xuất và áp dụng cho cầu của Shinkansen (tuyến đường sắt cao tốc của Nhật Bản) và được hoàn thành vào năm 2000 Cầu bao gồm ba nhịp dầm liên tục với mỗi chiều dài nhịp khoảng 34~36m Ống có đường kính 1.32 m với độ dày tối đa là 22 mm như thể hiện trong Hình 2.4 và cường độ chịu kéo khoảng 500 MPa
Hình 2.4 Cầu dầm ống nhồi bê tông áp dụng trên hệ tống Shinkansen [5]
Cầu đang được xây dựng được thể hiện trong Hình 2.5 và 2.6 Cầu nằm trong một khu vực chịu ăn mòn nặng, cho nên các dầm ống được làm bằng thép chịu thời tiết mới được phát triển 3% Niken được thêm vào loại thép mới này dự kiến sẽ có đặc tính chống ăn mòn cao ngay cả trong môi trường biển Lớp ăn mòn ổn định được tạo ra trên bề mặt trong quá trình chế tạo
Hình 2.5 Mặt phía trên của dầm ống đang xây dựng [5]
Liên kết chịu cắt dạng perfobond và đinh tán được hàn trên các dầm ống Thí nghiệm đã chứng minh cường độ chịu cắt của các liên kết này ngang bằng với liên kết chịu cắt trên bản cánh thẳng.
Tất cả các mối nối hiện trường của dầm ống được hàn tại công trường Điều này có thể làm giảm khối lượng thép bằng cách loại bỏ các tấm nối và bu lông cường độ cao, và cũng làm cho bề mặt dầm nhẵn hơn, kết quả là đặc tính chống ăn ẩ ỹđượ ầ ống được hàn đầ ừ và sau đó từ bên ngoài Thông gió được chuẩn bị cẩn thận cho thợ hàn khi dầm được hàn từ bên trong Phần hàn được kiểm tra bằng thí nghiệm siêu âm và thí nghiệm X-quang
Sợi thép được trộn lẫn trong bê tông bản gần các vị trí trung gian cải thiện độ bền của bản Số lượng sợi thép được đặt vào bằng 1% khối lượng bê tông của bản
Cường độ chịu nén của bê tông bản là 35 MPa, của bê tông nhồi với cốt liệu nhẹ là 27 MPa và của vữa không khí nhồi là 5 MPa
Cầu sau khi hoàn thiện được thể hiện trong Hình 2.7 Bề ngoài có vẻ khác với các dầm thép tấm thông thường nhưng đẹp về mặt thẩm mỹ Chế tạo và xây dựng mất 15 tháng Tổng trọng lượng chỉ bằng một nửa cầu bê tông thông thường và chi phí xây dựng thấp hơn đáng kể so với cầu đường sắt thông thường Có thể kết luận từ nghiên cứu này rằng hệ thống cầu đường sắt mới này là khả thi và kinh tế
Hình 2.7 Cầu dầm ống hoàn thiện [5]
M ột số kết quả nghiên cứu thực nghiệm về kết cấu dầm ống thép nhồi bê tông
DẦM ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG 2.2.1 Thí nghiệm của Shun-ichi Nakamura và cộng sự (2002) [5]
Một số loạt thí nghiệm đã được tiến hành đểđảm bảo tính khả thi của kết cấu mới này và để thiết lập phương pháp thiết kế Có hai loạt thí nghiệm được trình bày trong phần này
Thí nghiệm xem xét ảnh hưởng của cường độ chịu nén của vật liệu nhồi đến ứng xử uốn của dầm CFT
Các mẫu dầm ống bê tông được sử dụng trong nghiên cứu bao gồm: PH-1 (dầm ống rỗng), PH-2, 3 và 4 (dầm ống nhồi vữa không khí với cường độ chịu nén lần lượt là 0,29, 0,98 và 4,90 MPa), PH-5 và 6 (dầm ống nhồi bê tông cốt liệu nhẹ và bê tông thường với cường độ chịu nén 29,40 MPa) Các thử nghiệm kiểm tra cường độ chịu uốn và ứng xử của các dầm này với các loại bê tông khác nhau.
Vật liệu nhồi Vữa không khí Bê tông cốt liệu nhẹ Bê tông thường Cường độ chịu nén (MPa) 0.29 0.98 4.90
Hình 2.8 Các mẫu thí nghiệm
Mối tương quan của mô men uốn và độ võng thu được từ các thí nghiệm được thể hiện trong Hình 2.9 Tải trọng áp dụng của dầm ống PH-1 giảm sau điểm cực đại Các mẫu nhồi bê tông cốt liệu nhẹ và bê tông thường PH-5 và PH-6 có cường độ chịu uốn cao hơn nhiều so với PH-1 Chúng cũng cho thấy một đặc tính dẻo tốt và chuyển vị không giảm sau điểm cực đại Các dầm ống nhồi vữa không khí cho thấy cường độ chịu uốn và các ứng xử chuyển vị nằm trung gian giữa PH-1 và PH-6 Các mẫu PH-2 và 3 là gần hơn với PH-1, trong khi đó PH-4 có cường độ và đặc tính dẻo Điều đó đã được quan sát bởi các thí nghiệm mà các dầm ống nhồi bê tông có cường độ chịu uốn cao hơn nhiều là do hiệu ứng kiềm chế của bê tông nhồi (confinement) Bê tông nhồi đóng một vai trò quan trọng để hạn chế mất ổn định cục bộ của ống thép và làm tăng khả năng chịu uốn Hiệu ứng này dự kiến có thể làm cho bê tông nhồi có cường độtăng hơn 5 MPa
Hình 2.9 Kết quả tải trọng và độ võng trong thí nghiệm
Thí nghiệm xem xét độ ồn và độ rung của dầm CFT so với các tiết diện khác Ống thép nhồi bê tông dự kiến sẽ giảm độ ồn và độ rung gây ra bởi xe lửa Độ ồn và độ rung của các tiết diện dầm khác nhau được xác định với các thiết bị tapping bao gồm 5 búa có khối lượng 500g cho mỗi cái Năm búa của thiết bị tapping liên tục đập vào mặt bê tông phía trên của các mẫu, được treo lên khung cứng bằng dây thừng ở cả hai bên Tiếng ồn được thu thập bởi 3 micro và độ rung được xác định bởi các gia tốc kế Các mẫu được thể hiện trong Hình 2.10: dầm thép tấm, dầm thép tấm gắn với panel bê tông, ống thép rỗng, ống thép đôi với bê tông nhồi, ống thép nhồi bê tông và dầm BTCT
Hình 2.10 Các mẫu thí nghiệm [5]
Các độ ồn thu thập bởi các micro cách mẫu 0.1m và các độ rung trên bề mặt được thể hiện trong Hình 2.11 Tất cả các mẫu hiển thị các độ ồn và rung khác nhau, nhưng cả hai mức độ thay đổi phù hợp với từng mẫu trong tất cả các trường hợp Các tiết diện thép không liên hợp có độồn và rung cao hơn so với các tiết diện liên hợp khác Các ống nhồi bê tông PN-3 và PN-5 được hứa hẹn tốt như tiết diện bê tông PN-6 Những thí nghiệm này chứng minh rằng bê tông hoặc vữa nhồi có thể làm giảm độồn và độ rung của dầm ống thép ức độ ồn và độ rung
Kết luận của Shun-ichi Nakamura và cộng sự
Dầm thép là tương đối dễ bị nguy hiểm đối với lực nén Tuy nhiên, các dầm ống nhồi bê tông có thể cải thiện cường độ chịu uốn vì bê tông nhồi hạn chế mất ổn định cục bộ của các tấm thép khi nén Phần dầm thép hoạt động như một khuôn và làm cho bê tông làm việc dễ dàng Dầm thép nhồi bê tông cũng có thể làm giảm mức độ tiếng ồn và độ rung của cầu gây ra bởi giao thông
Thép thành phẩm nhà máy như ống có thể làm giảm đáng kể sốlượng hàn tại xưởng và do đó giảm chi phí chế tạo Cầu liên hợp mới sử dụng dầm ống đã được giới thiệu, và tính khảthi đã được làm sáng tỏ bằng thực nghiệm và các trường hợp nghiên cứu
2.2.2 Thí nghiệm của Jae-Yoon Kang và cộng sự (2007) [4]
Thí nghiệm xem xét ảnh hưởng của cường độ chịu nén của vật liệu nhồi đến ứng xử uốn của dầm CFT
Trong trường hợp cấu kiện CFT chịu tải uốn, lõi bê tông không ở trong trạng thái ứng suất ba trục, và tiết diện lõi bê tông được chia thành các vùng nén và kéo bởi trục trung hoà Tuy nhiên, tác động liên hợp giữa ống thép và bê tông vẫn kiểm soát việc tăng cường của cấu kiện CFT trong các thuộc tính cấu trúc bởi sự chậm trễ mất ổn định bên trong của vỏ thép
Trong nghiên cứu này, các ứng xử uốn của CFT theo với cường độ chịu nén của vật liệu nhồi bên trong được nghiên cứu bởi một thí nghiệm uốn bốn điểm như Hình 2.12 Để giảm thiểu sự biến dạng (crippling) cục bộ của ống thép, các thiết bị đặt tải và gối tựa được chế tạo đặc biệt cho hai tải và vị trí phản lực như hình vẽ
Hình 2.12 Thiết lập thử nghiệm uốn bốn điểm
Thông số thiết kế cho mẫu thí nghiệm được trình bày trong Bảng 2.1 Đường cong tải trọng – độ võng thu được từ các thí nghiệm được thể hiện trong Hình 2.13
Sau khi thép chảy dẻo, đường cong ứng suất-biến dạng trở nên phi tuyến do vùng dẻo lan rộng Khi tải trọng đạt cực đại, tấm thép chịu nén phía trên bị mất ổn định dẫn đến tải trọng đột ngột giảm Tuy nhiên, cường độ chịu uốn và độ dẻo của ống thép bê tông cốt sợi BCF-N-N cao hơn đáng kể so với ống thép rỗng thông thường.
Cường độ chịu uốn của BCF-N-N cao hơn 1.5 lần so với B00-N-N Sự mất ổn định cục bộ lớn tại phía chịu nén không xảy ra cho mẫu này Mô hình BMF-N-N nhồi vữa không khí ứng xử tương tự như ống rỗng, B00-N-N, trong suốt giai đoạn đầu của tải trọng Trong trường hợp của BMF-N-N, tuy rằng, tải trọng áp dụng vẫn còn tiếp tục tăng lên đến 1.2 lần so với đỉnh tải của ống rỗng, và trạng thái mất ổn định thấp hơn của các ống rỗng Điều đó có nghĩa là bê tông nhồi đóng một vai trò quan trọng trong việc hạn chế hoặc trì hoãn sự mất ổn định cục bộ của các ống thép và tăng độ ẻ cường độ ị ố ủ ống Điều này đượ ế ở ế ả ử nghiệm của BMF-N-N rằng hiệu ứng kiềm chế này có thể được mong đợi khi vật liệu nhồi có cường độ thấp
Bảng 2.1 Mẫu thử (SS400, fy = 360 MPa, D/t = 56.4)
Mẫu Vật liệu nhồi Khóa liên kết cơ học Ống thép
(f’ R c R = 27 MPa) chỉ có ma sát
(f’ R c R = 8 MPa) chỉ có ma sát
Hình 2.13 Mối quan hệ tải trọng-độ võng trong các thử nghiệm uốn
Thí nghiệm về ảnh hưởng của khóa liên kết cơ học lên ứng xử chịu uốn của dầm CFT
Khả năng chịu uốn và ứng xử uốn của cấu kiện CFT với các thiết bị khóa liên kết cơ học được thực nghiệm để tìm hiểu ảnh hưởng của sự tăng cường tác động liên hợp giữa vỏ thép và vật liệu nhồi bên trong Ống thép được sử dụng cho việc xây dựng các mẫu vật có đường kính 508 mm, độ dày 9 mm Hai loại mẫu vật,
BCF-6P-N và BMF-6P-N, đã được nhồi bằng bê tông thường và vữa không khí tương ứng, và có sáu sườn perfobond hình ㄱ được bố trí đều theo góc 60o bên trong ống thép Các sườn perfobond hìnhㄱ này đã được áp dụng đểtăng cường tác động liên hợp của ống thép và lõi bê tông Mẫu được tựa đơn giản với nhịp 5.7 m và đặt tải tại hai điểm cách 1.9 m từ cuối gối tựa, như Hình 2.14 Thông số thiết kế cho mẫu thí nghiệm được trình bày trong Bảng 2.2
Hình 2.14 Mặt cắt của mẫu vật với các thiết bị khóa liên kết
Bảng 2.2 Mẫu thử (SS400, fy = 360 MPa, D/t = 56.4)
Mẫu Vật liệu nhồi Khóa liên kết cơ học Ống thép
(f’ R c R = 27 MPa) sườn perfobond hìnhㄱ
(f’ R c R = 8 MPa) sườn perfobond hìnhㄱ
Hình 2.15 trình bày các kết quả của thử nghiệm uốn thực hiện cho các mẫu
BCF-6P-N và BMF-6P-N với các sườn bên trong Đối với mẫu BCF-6P-N, cường độ chịu uốn cao hơn 1.7 và 1.2 lần so với của B00-N-N và BCF-N-N tương ứng
Cường độ chịu uốn của mẫu BMF-6P-N cao hơn 1.5 và 1.2 lần so với B00-N-N và
BMF-N-N Những kết quả này cho thấy rằng, bằng cách đưa vào một thiết bị cơ học bố trí trong ống thép để củng cố các tác động liên hợp có thểtăng cường cường độ chịu uốn của cấu kiện CFT Đặc biệt, như thể hiện trong Hình 2.15, điều đáng chú ý là cường độ chịu uốn của BMF-6P-N tăng lên cùng một mức độ về cường độ chịu uốn đối với BCF-N-N; do đó, có kết luận, rằng cường độ chịu uốn và độ dẻo một ống thép được nhồi với vật liệu cường độ thấp có thể kiểm soát bằng cách cài đặt khóa cắt cho việc tăng cường mối quan hệ giữa ống thép và vật liệu lõi
Hình 2.15 Đường cong tải trọng độ võng của mẫu với sườn bên trong
CƠ SỞ PHÂN TÍCH KẾT CẤU DẦM ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG
Phương pháp phân tích kết cấu dầm ống thép nhồi bê tông
Phân tích kết cấu đóng vai trò quan trọng trong thiết kế công trình, ảnh hưởng đến độ an toàn, tính kinh tế của công trình Quá trình phân tích xác định các giá trị nội lực và chuyển vị của kết cấu chịu tác động của tải trọng Phân tích kết cấu cầu bao gồm mô hình hóa kết cấu và thực hiện các phân tích như phân tích tĩnh, động, phi tuyến, P-delta, phân tích giai đoạn thi công Những thông tin này là cơ sở để thiết kế kết cấu.
Ngày nay, với sự trợ giúp của máy tính mà đặc biệt là việc ứng dụng các sản phẩm phần mềm chuyên dụng thì công việc mô hình hóa và phân tích kết cấu trở nên nhanh chóng và chính xác
Hiện nay, với sự bùng nổ của máy tính điện tử, phương pháp phần tử hữu hạn nhanh chóng được ứng dụng trong các sản phẩm phần mềm để tính toán một cách chính xác và nhanh chóng Có rất nhiều phần mềm tính toán được lập trên cơ sở phương pháp phần tử hữu hạn rất hiệu quả như: Ansys, Abaqus, Sap2000, RM2000, Midas Civil, …
Giới thiệu phần mềm Abaqus
Abaqus là một bộ phần mềm lớn dùng để mô phỏng công trình dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn, phạm vi giải quyết vấn đề của nó từ phân tích tuyến tính tương đối đơn giản đến vấn đề mô phỏng phi tuyến tính phức tạp Abaqus có kho phần tử phong phú, có thể mô phỏng hình dạng thực tế bất kỳ Đồng thời kho mô hình vật liệu có thể mô phỏng đại đa sốtính năng vật liệu công trình điển hình, trong đó bao gồm kim loại, cao su, vật liệu cao phân tử, vật liệu phức hợp, bê tông cốt thép, đá và đất Abaqus không chỉ giải quyết các vấn đề trong phân tích kết cấu
(ứng suất/chuyển vị) vẫn có khả năng mô phỏng và nghiên cứu vấn đề trong các lĩnh vực như truyền dẫn nhiệt, khoáng sản, phân tích âm thanh, điện tử, phân tích cơ học thổnhưỡng, phân tích cơ học môi trường điện áp
Abaqus là phần mềm mang tính thương mại cao, thân thiện với người dùng, sử dụng tương đối đơn giản Vấn đề phức tạp nhất cũng có thể rất dễ dàng thiết lập mô hình Ví dụ như công trình có nhiều bộ phận phức tạp có thể thông qua định nghĩa mô hình vật liệu, hình dáng hình học đối với từng bộ phận, sau đó lại lắp ghép chúng với nhau để tạo thành khối hoàn chỉnh Trong đa số vấn đề phân tích mô phỏng, thậm chí trong vấn đề phi tuyến cao cấp, người dùng cũng chỉ cần cung cấp hình dạng hình học, tính năng vật liệu, điều kiện biên và trường hợp tải trọng của kết cấu là có thể tiến hành phân tích Trong phân tích phi tuyến tính, Abaqus có khả năng tự lựa chọn các giá trị tham số này, mà còn có khả năng trong quá trình phân tích không ngừng điều chỉnh tham sốđể thu được hiệu quả giải quyết cao nhất, rất hiếm khi người dùng điều chỉnh tham số này
Abaqus có hai khối phân tích chủ yếu: Abaqus/Standard và Abaqus/Explicit
Abaqus/CAE (Complete Abaqus Environment) là giao diện người dùng, hỗ trợ tiền xử lý như thiết lập mô hình, gán thuộc tính và điều kiện biên, phân chia lưới Abaqus/Viewer cho phép phân tích và xử lý kết quả Ngoài ra, Abaqus/Aqua và Abaqus/Design là hai khối phân tích phụ với chức năng chuyên biệt.
Qua tham khảo, xem xét một số phần mềm tính toán, tác giả nhận thấy phần mềm Abaqus là có giao diện người dùng thân thiện, dễ sử dụng, tính chính xác cao đặc biệt là được ứng dụng rất nhiều vào nghiên cứu phân tích kết cấu trên thế giới, vì vậy trong quyết định lựa chọn phần mềm này để hỗ trợ tính toán giải quyết nhiệm vụ nghiên cứu của luận văn.
Mô hình s ố của bê tông
Bê tông là một loại vật liệu không đồng nhất và có một số hệ số ảnh hưởng đến tính chất vật liệu của bê tông ví dụ tỷ lệnước-xi măng w/c, kích thước các cốt liệu và độ tuổi của bê tông Cường độ nén và năng lượng đứt gãy là hai đặc tính quan trọng và các đặc tính khác như mô đun đàn hồi và cường độ chịu kéo Cường độ chịu nén của bê tông lớn hơn khoảng 10~20 lần cường độ chịu kéo, xem Hình 3.1, thể hiện mối quan hệứng suất - biến dạng
Hình 3.1 Mối quan hệ ứng suất – biến dạng chính trong bê tông
Khi ứng suất trong bê tông đạt đến một mức độ nhất định thì các vết nứt vi mô phát triển Nếu tải tiếp tục áp dụng các vết nứt vi mô sẽ tham gia vào các vết nứt vĩ mô và gây ra phá hoại hoàn toàn Việc chuyển đổi vào các vết nứt vĩ mô tiến triển nhanh chóng trong trạng thái ứng suất kéo Các vết nứt có liên quan đến mối quan hệứng suất – biến dạng kéo trong Hình 3.2
Hình 3.2 Sự phát triển vết nứt liên quan với các mối quan hệ ứng suất - biến dạng kéo
Trong khi đó, vết nứt kéo thuần tuý hướng vết nứt vuông góc với hướng tải trọng, được sinh ra do tải kéo dọc trục hoặc uốn thuần tuý Ví dụ về vết nứt kéo thuần tuý trong mặt cắt vữa của CFT được thể hiện trong Hình 3.3.
Hình 3.3 Các vết nứt bê tông trong khu vực chịu kéo của CFT CFT được thử nghiệm trong uốn 3 điểm với một nhịp cắt gần 4 kết quả trong một cơ chế phá hoại như trong uốn thuần túy [3]
3.2.2 Mô hình số của bê tông
Mối quan hệứng suất-biến dạng là phi tuyến và mô hình số phải đối phó với sự hóa cứng và hóa mềm trong vật liệu cũng như phá hoại Ngày nay hầu hết mô hình sốbê tông được dựa trên mô hình nứt hoặc mô hình phá hoại
Abaqus có nhiều mô hình vật liệu thích hợp cho bê tông Bê tông phá hoại dẻo được khuyến khích cho cả bê tông cốt thép và bê tông bình thường và do đó được lựa chọn cho phân tích số trong nghiên cứu này Mô hình là sự kết hợp mô hình dẻo và phá hoại, thể hiện trong Hình 3.4
Hình 3.4 Các khác biệt cơ bản của lý thuyết phá hoại và lý thuyết dẻo Kết quả kiểm tra thực nghiệm tìm thấy như là một sự kết hợp của hai mô hình [3]
Mối quan hệ ứng suất - biến dạng đơn trục và các đặc tính khác của bê tông đã được lựa chọn dựa trên các nghiên cứu trước và đường cong được thể hiện trong
Hình 3.5 Biến dạng tương ứng với cường độ nén của bê tông ε’ R c R đã được lấy là
0.003 Giá trị của ứng suất giới hạn tương ứng đã được lấy bằng 0.5f’ R c R và mô đun đàn hồi ban đầu của bê tông E R c R được tính bằng:
Mối quan hệứng suất biến dạng của bê tông chịu nén được xác định:
Trong đó R và R R E R được tính bằng các phương trình sau:
Trong phương trình (3.3) và (3.4), R R ε R và R R σ R là bằng 4, theo khuyến cáo của Hu và Schnobrich [7] Cường độ kéo của bê tông f’ R t R là xấp xỉ 9% của cường độ nén bê tông f’ R c R Các ứng xử sau phá hủy của bê tông chịu kéo bao gồm sự tăng cứng kéo, cho phép ứng xử hóa mềm biến dạng của bê tông Giả định rằng các ứng suất kéo giảm xuống bằng không, với tổng biến dạng 0.001, theo khuyến cáo của Abaqus và thể hiện trong Hình 3.5 Hệ số Poisson của bê tông υ R c R được lấy bằng 0.2
Khối lượng riêng của bê tông được lấy bằng 2.45E-9 T/mm3
Hình 3.5 Mô hình vật liệu bê tông
Góc giãn nở (Dilation angle)
Góc giãn nở của bê tông ψ là một hàm của sự thay đổi thể tích trong quá trình chịu lực cắt Một giá trịψ thấp tạo ra ứng xử giòn trong khi một giá trịcao hơn dẫn đến ứng xử dễ uốn hơn Giá trị của ψ ảnh hưởng đến sự tái bền nén của bê tông và lựa chọn một giá trị thích hợp là điều cần thiết để mô phỏng chính xác ứng xử vật liệu bê tông Một số nghiên cứu trước đây đã điều tra các giá trị thích hợp cho ψ Vermeer và Borst đề xuất một giá trị của 12 P o P cho ψ; Lee và Fenves sử dụng giá trị 31 P o P và 20 P o P tương ứng cho bê tông dưới trạng thái ứng suất đơn trục và hai trục [7]
Trong phân tích này, ψ được lấy bằng 20 P o P , do giá trị này có sự sai lệch thấp nhất so với thực nghiệm Độ lệch tâm (Eccentricity) Độ lệch tâm là trong khoảng từ0 đến 1 Giá trị mặc định bằng 0.1 được chọn cho mô hình số
Tỷ số của cường độ nén hai trục với đơn trục (f R b0 R /f R c0 R )
Tỷ số này nằm trong khoảng giữa 1.1 và 1.2 với một giá trị mặc định bằng 1.16 và giá trị này được lựa chọn để phân tích
Tỷ số bất biến ứng suất thứ hai trên kéo cao nhất với trên nén cao nhất, giá trị mặc định bằng 2/3 được lựa chọn
Giá trị mặc định bằng 0 được lựa chọn
Các giá trị mặc định được lấy theo khuyến cáo của tài liệu “Xác định các thông số của mô hình Concrete Damaged Plasticity” trong “Abaqus Keywords
Năng lượng đứt gãy (G RF R) là năng lượng cần thiết để vết nứt lan truyền trên một đơn vị diện tích chịu kéo Nó phụ thuộc vào cường độ nén bê tông (f' RC R), kích thước cốt liệu tối đa (d R max R), vật liệu cốt liệu, độ xốp của bê tông và tốc độ tải Mặc dù thường được xác định thông qua thử nghiệm vật liệu, năng lượng đứt gãy cũng có thể được ước tính bằng các phương pháp lý thuyết.
= (3.5) Trong đó: G R f0 R là giá trị cơ bản của năng lượng đứt gãy và phụ thuộc vào d R max R
Hình 3.6 Mối quan hệ giữa G R f0 R và d R max R bằng một phương trình đa thức bậc hai [3]
Với d R max R = 20 mm thì G R f0 R = 0.03376 Nmm/mm2.
Mô hình s ố của dầm ống thép nhồi bê tông
Để tạo ra một mô hình số có thể mô tảứng xử của dầm ống thép nhồi bê tông thì từng bộ phận của mô hình phải đáng tin cậy Mô hình vật liệu, sựtương tác giữa thép và bê tông được thiết lập và sử dụng
3.3.1 Mô hình ống thép rỗng
Mô hình vật liệu cho thép
Mối quan hệ ứng suất - biến dạng cho thép được minh họa trong Hình 3.6
Mô đun đàn hồi của thép E_R trong vùng đàn hồi là 200,000 MPa và hệ số Poisson ν_R được thiết lập thành 0,3 Thép bắt đầu có tính chất dẻo khi đạt ứng suất chảy f_R Ứng suất này được duy trì khi biến dạng tăng tới 10 lần giá trị biến dạng chảy (ε_R) Sau đó, ứng suất tiếp tục tăng lên đến ứng suất đứt f_RU Biến dạng tương ứng với ứng suất đứt xấp xỉ 0,1 như trong Hình 3.7 Tiêu chuẩn chảy dẻo Von-Mises và quy luật tái bền đẳng hướng được sử dụng để mô hình hóa tính chất dẻo của thép Khối lượng riêng của thép là 7,85E-9 T/mm3.
Hình 3.7 Mối quan hệ ứng suất biến dạng của thép
Sựtương tác của các bộ phận
Các bộ phận riêng lẻđược kết nối bởi một mô hình ma sát xác định các tính chất tiếp xúc pháp tuyến và tiếp tuyến với bề mặt tiếp xúc Mô hình này dựa trên một mối quan hệ master-slave Bề mặt master được phép xâm nhập bề mặt slave, nhưng không phải ngược lại, xem Hình 3.8
Hình 3.8 Mối quan hệ bề mặt master-slave
Sự lựa chọn của bề mặt master-slave được thực hiện bởi ba nguyên tắc chung:
1 Lưới của bề mặt slave nên dày đặc hơn 2 Vật liệu cứng hơn nên là bề mặt master
3 Mặt bên trong ống thép là bề mặt master, mặt bên ngoài lõi bê tông là bề mặt slave
Sự tương tác giữa thép và bê tông được mô hình hóa bằng mô hình tiếp xúc dựa trên ma sát Coulomb theo hướng tiếp tuyến và mô hình "hard contact" theo hướng pháp tuyến Áp lực tiếp xúc được thiết lập để kích hoạt ma sát và được xấp xỉ dựa trên các thử nghiệm "push-out" Ma sát Coulomb xác định sự trượt khi ứng suất cắt tương đương vượt quá ứng suất cắt tới hạn Hệ số ma sát được chọn là 0,47 dựa trên nghiên cứu trước và so sánh với kết quả thử nghiệm.
3.3.2 Mô hình sốống nhồi bê tông
Phần tử rắn 8 nút (C3D8R) đã được sử dụng để mô hình ống thép và bê tông nhồi Phần lõi của bê tông được mô hình với phần tử rắn 6 nút hình nêm C3D6 (wedge shape) D là đường kính ngoài của ống thép, và t là độ dày của ống thép; kết quả là bán kính trong bằng D-2t
Tải trọng được áp dụng theo phương Y và gia tăng theo thời gian
Sử dụng phương pháp Dynamic/Explicit để tiến hành phân tích mô hình
Phương pháp này phù hợp cho bài toán phi tuyến với chuyển vị thay đổi theo thời gian Sử dụng phương pháp lặp vi phân theo thời gian, thường được sử dụng cho bài toán động, xét ảnh hưởng của tốc độ biến dạng của vật liệu và thay đổi hình học
Thông số hình học phi tuyến (Nonlinear Geometry Parameter NLGEOM) đã được kích hoạt để giải quyết các phân tích chuyển vị lớn.
PHÂN TÍCH CẦU DẦM ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG
Các trường hợp nghiên cứu
Trong lĩnh vực kỹ thuật kết cấu, kết quả phân tích phần tử hữu hạn có thể cung cấp thông tin chi tiết về ứng suất và sự phân bố biến dạng trong kết cấu
Những thông tin này không dễ dàng có sẵn từ các thực nghiệm, và do đó, nghiên cứu số có thểđược sử dụng nhằm cung cấp dữ liệu bổsung để cải thiện sự hiểu biết
Hơn nữa, các nghiên cứu tham số về mô hình phần tử hữu hạn có thể được thực hiện để nâng cao hiệu quả thiết kế kết cấu
4.1.1 Mô phỏng thí nghiệm của Jae-Yoon Kang và cộng sự (2007)
Thí nghiệm xem xét ảnh hưởng của cường độ chịu nén của vật liệu nhồi đến ứng xử uốn của dầm CFT a Mô hình v ật liệu:
Hình 4.1 Mối quan hệ ứng suất biến dạng của thép SS400
Biến dạng Ứng xử dẻo của SS400
Hình 4.2 Mối quan hệ ứng suất biến dạng của bê tông f’ R c R 'MPa
Hình 4.3 Mối quan hệ ứng suất biến dạng của vữa không khí f’ R c R =8MPa
Biến dạng Bê tông f'c'MPa
Biến dạngBê tông f'c=8MPa b K ết quả thu được:
U * Mô hình ống thép rỗng B00-N-N:
Hình 4.4 Mối quan hệ tải trọng-độ võng của mô hình B00-N-N
+ Đường cong tải trọng – độ võng của mô hình so với kết quả thực nghiệm như sau: Ở giai đoạn đầu của miền đàn hồi, tải trọng nhỏ (dưới 300kN) kết quả không có sự chênh lệch đáng kể; ở giai đoạn cuối của miền đàn hồi, tải trọng gần đạt tới hạn (từ300kN đến 700kN) mô hình có độ cứng lớn hơn, dấu hiệu phi tuyến xuất hiện trễ hơn Ởgiai đoạn phi tuyến, tải trọng đạt tới hạn (lớn hơn 700kN), mô hình cho kết quảđỉnh tải thấp hơn so với thực nghiệm khoảng 3%
+ Sự hạn chế của mô hình: Kết cấu ống thép không xét đến mất ổn định cục bộ nên nó ứng xửnhư một kết cấu hoàn hảo theo lý thuyết do đó sẽ khác với kết cấu thực tế hàm chứa yếu tố không hoàn hảo do chế tạo và vật liệu; Không có số liệu gia tải trong thực nghiệm nên mô hình chưa mô tả đúng sự gia tải cũng như thời gian gia tải
Tải trọng (kN) Độ võng giữa nhịp (mm)
Hình 4.5 Sơ đồ áp dụng tải trọng và phản lực của mô hình B00-N-N
Hình 4.6 Sơ đồ phân bố độ võng của mô hình B00-N-N
Hình 4.7 Sơ đồ phân bố ứng suất của mô hình B00-N-N
U * Mô hình ống thép nhồi bê tông BCF-N-N:
Hình 4.8 Mối quan hệ tải trọng-độ võng của mô hình BCF-N-N
+ Đường cong tải trọng – độ võng của mô hình so với kết quả thực nghiệm như sau: Ở giai đoạn đầu của miền đàn hồi, tải trọng nhỏ (dưới 700kN) kết quả không có sự chênh lệch đáng kể; ở giai đoạn cuối của miền đàn hồi, tải trọng gần đạt tới hạn (từ 700kN đến 1100kN) mô hình có độ cứng nhỏ hơn, dấu hiệu phi tuyến xuất hiện sớm hơn Ở giai đoạn phi tuyến, tải trọng đạt tới hạn (khoảng 1100kN), mô hình cho kết quả đỉnh tải thấp hơn so với thực nghiệm khoảng 10%, không có dấu hiệu tải trọng giảm xuống (không xét đến mất ổn định của ống thép)
+ Sự hạn chế của mô hình: Kết cấu ống thép không xét đến mất ổn định cục bộ nên nó ứng xửnhư một kết cấu hoàn hảo theo lý thuyết do đó sẽ khác với kết cấu thực tế hàm chứa yếu tố không hoàn hảo do chế tạo và vật liệu; Không có số liệu gia tải trong thực nghiệm nên mô hình chưa mô tả đúng sự gia tải cũng như thời gian gia tải Mô hình tương tác giữa bê tông và ống thép với tác động theo hướng pháp tuyến được bỏ qua nên cho ra kết quả thấp hơn Nếu xét đến tác động theo
Tải trọng áp dụng (kN) Độ võng giữa nhịp (mm)
Thực nghiệmMô hình hướng pháp tuyến bằng mô hình “hard contact” thì sẽ cho ra kết quả lớn hơn nhiều (cao hơn so với thực nghiệm khoảng 33%) (Tiếp xúc giữa bê tông và thành trong ống thép được mô phỏng theo hard contact tức là mô hình dính bám tuyệt đối (perfect bond) nên nó sẽ cho kết quả “cứng” hơn kết quả thí nghiệm, do đó tác giả loại bỏ để dùng mô hình dính bám yếu) Mô hình vết nứt của bê tông (concrete smeared cracking) chưa được xét đến
Hình 4.9 Sơ đồ áp dụng tải trọng và phản lực của mô hình BCF-N-N
Hình 4.10 Sơ đồ phân bố độ võng của mô hình BCF-N-N
Hình 4.11 Sơ đồ phân bố ứng suất Mises trong ống thép của mô hình BCF-N-N
Hình 4.12 Sơ đồ phân bố ứng suất S33 trong 1/2 lõi bê tông của mô hình BCF-N-N
U * Mô hình ống thép nhồi vữa BMF-N-N:
Hình 4.13 Mối quan hệ tải trọng-độ võng của mô hình BMF-N-N
Tải trọng áp dụng (kN) Độ võng giữa nhịp (mm)
Đường cong tải trọng - độ võng của mô hình so với kết quả thực nghiệm cho thấy: ở miền đàn hồi giai đoạn đầu, tải trọng nhỏ (dưới 700kN) cho kết quả tương đồng; giai đoạn cuối, tải trọng gần đến hạn (700kN - 900kN), mô hình có độ cứng nhỏ hơn, xuất hiện dấu hiệu phi tuyến sớm hơn Ở miền phi tuyến, khi tải trọng đạt đến hạn (trên 900kN), mô hình cho kết quả đỉnh tải thấp hơn thực nghiệm khoảng 7%, không có dấu hiệu giảm tải trọng (không tính đến mất ổn định của ống thép).
+ Sự hạn chế của mô hình: Kết cấu ống thép không xét đến mất ổn định cục bộ nên nó ứng xửnhư một kết cấu hoàn hảo theo lý thuyết do đó sẽ khác với kết cấu thực tế hàm chứa yếu tố không hoàn hảo do chế tạo và vật liệu; Không có số liệu gia tải trong thực nghiệm nên mô hình chưa mô tả đúng sự gia tải cũng như thời gian gia tải Mô hình tương tác giữa bê tông và ống thép với tác động theo hướng pháp tuyến được bỏ qua nên cho ra kết quả thấp hơn Nếu xét đến tác động theo hướng pháp tuyến bằng mô hình “hard contact” thì sẽ cho ra kết quả lớn hơn rất nhiều (cao hơn so với thực nghiệm khoảng 50%) Mô hình vết nứt của bê tông (concrete smeared cracking) chưa được xét đến
Hình 4.14 Sơ đồ áp dụng tải trọng và phản lực của mô hình BMF-N-N
Hình 4.15 Sơ đồ phân bố độ võng của mô hình BMF-N-N
Hình 4.16 Sơ đồ phân bố ứng suất Mises trong ống thép của mô hình BMF-N-N
Hình 4.17 Sơ đồ phân bố ứng suất S33 trong 1/2 lõi vữa của mô hình BMF-N-N
U Tổng hợp kết quả mô phỏng thí nghiệm xem xét ảnh hưởng của cường độ chịu nén của vật liệu nhồi đến ứng xử uốn của dầm CFT của Jae-Yoon Kang và cộng sự (2007):
Hình 4.18 So sánh đường cong mối quan hệ tải trọng độ võng giữa các mô hình
U Nhận xét: Ứng xử cơ học của ống thép nhồi bê tông chịu ảnh hưởng bởi cường độ bê tông Sự hiện diện của bê tông nhồi làm kéo dài phạm vi dẻo của ống thép rỗng
Cường độ chịu uốn của ống thép nhồi bê tông cao hơn 56% so với cường độ chịu uốn của ống thép rỗng; còn cường độ chịu uốn của ống thép nhồi vữa cường độ thấp cao hơn 32% so với cường độ chịu uốn của ống thép rỗng Điều này cho thấy bê tông nhồi đóng vai trò quan trọng trong việc tăng độ dẻo và cường độ chịu uốn của ống thép rỗng Mặt khác, việc sử dụng vữa cường độ thấp có thể làm giảm trọng lượng bản thân dầm mà vẫn đảm bảo khá tốt khảnăng chịu uốn
Tải trọng áp dụng (kN) Độ võng giữa nhịp (mm) Mối quan hệ tải trọng và độ võng của các mô hình
4.1.2 Mô phỏng thí nghiệm của Nazanin Mossahebi và cộng sự (2004) a Mô hình v ật liệu:
U Thép ống ASTM A714-99 Class4 Grade VII và thép thanh Grade 60:
Hình 4.19 Mối quan hệ ứng suất biến dạng của thép ASTM A714-99 Class4
Grade VII và thép thanh Grade 60
U Bê tông lõi f’cC.8MPa:
Hình 4.20 Mối quan hệ ứng suất biến dạng của bê tông f’ R c R C.8MPa
Biến dạng Ứng xử dẻo của thép ASTM A714-99 Class4 Grade VII và thép thanh Grade 60
Thép ống ASTM A714-99 Class4 Grade VII
Biến dạngBê tông f'cC.8MPa
Hình 4.21 Mối quan hệ ứng suất biến dạng của bê tông f’ R c R 7.1MPa b K ết quả thu được:
Hình 4.22 Mối quan hệ tải trọng-độ võng của mô hình dầm cầu CFT
Biến dạng Bê tông f'c7.1MPa
Tải trọng áp dụng (kN) Độ võng giữa nhịp (mm) Dầm cầu ống thép nhồi bê tông theo thí nghiệm của Nazanin
+ Đường cong tải trọng – độ võng của mô hình so với kết quả thực nghiệm như sau: Ở giai đoạn đầu của miền đàn hồi, tải trọng nhỏ (dưới 700kN) kết quả không có sự chênh lệch đáng kể; ở giai đoạn sau của miền đàn hồi, tải trọng gần đạt tới hạn (lớn hơn 700kN) mô hình có độ cứng nhỏhơn, dấu hiệu phi tuyến xuất hiện sớm hơn, kết quả đỉnh tải thấp hơn so với thực nghiệm khoảng 8%, không có dấu hiệu tải trọng giảm xuống (không xét đến mất ổn định của ống thép)
+ Sự hạn chế của mô hình: Kết cấu ống thép không xét đến mất ổn định cục bộ nên nó ứng xửnhư một kết cấu hoàn hảo theo lý thuyết do đó sẽ khác với kết cấu thực tế hàm chứa yếu tố không hoàn hảo do chế tạo và vật liệu; Không có số liệu gia tải trong thực nghiệm nên mô hình chưa mô tả đúng sự gia tải cũng như thời gian gia tải Mô hình tương tác giữa bản bê tông cốt thép và ống thép được khai báo là “tie constraint” chưa phản ánh đúng so với thực tế Mô hình vết nứt của bê tông (concrete smeared cracking) chưa được xét đến
Hình 4.23 Sơ đồ áp dụng tải trọng và phản lực của mô hình dầm cầu CFT
Hình 4.24 Sơ đồ phân bố biến dạng của mô hình dầm cầu CFT
Hình 4.25 Sơ đồ phân bố ứng suất Mises trong ống thép của mô hình dầm cầu
Hình 4.26 Sơ đồ phân bố ứng suất S22 trong bản bê tông của mô hình dầm cầu
Hình 4.27 Sơ đồ phân bố ứng suất S33 trong 1/2 lõi bê tông của mô hình dầm cầu
So sánh d ầm cầu ống thép nhồi bê tông và dầm I truyền thống
TRUYỀN THỐNG 4.2.1 Cơ sở so sánh
Sử dụng mô hình dầm cầu ống thép nhồi bê tông đã được thiết lập khi mô phỏng thí nghiệm của Nazanin Mossahebi và cộng sự (2004), điều chỉnh tiết diện lõi bê tông Tính toán độ cứng hữu hiệu EI R eff R của mặt cắt dầm cầu ống thép nhồi bê tông Sau đó tiến hành chọn mặt cắt dầm I có độ cứng hữu hiệu tương đương để phân tích Các thông số của bản bê tông phía trên được giữ nguyên Độ cứng hữu hiệu EI R eff R của cấu kiện nhồi liên hợp được tính bằng cách sử dụng phương trình sau:
Trong tính toán tiết diện hỗn hợp, mô men quán tính thứ hai của tiết diện thép (IRs) và bê tông (IRc) là những thông số quan trọng Giá trị CR/3R được sử dụng để làm giảm độ cứng tổng thể của bê tông, giúp tăng khả năng chịu uốn của tiết diện hỗn hợp.
C R 3 R được lấy theo tiêu chuẩn thiết kế AISC [8]:
Bảng 4.1 Đặc trưng tiết diện của dầm ống thép nhồi bê tông được điều chỉnh theo thí nghiệm của Nazanin Mossahebi và cộng sự (2004)
Cấu kiện A (mm2) y (mm) Ay (mm3) Ixx (mm4) h=y R e R -y
Từđộ cứng EI R eff R tính được, tiến hành chọn tiết diện dầm I tương ứng
Bảng 4.2 Thông số kích thước của dầm I tương ứng
Kích thước Ký hiệu Giá trị (mm)
Bề rộng bản cánh trên b R tf 240 Chiều dày bản cánh trên t R tf 12
Chiều cao bản bụng d 300 Bề rộng bản bụng t R w 8 Bề rộng bản cánh dưới b R bf 287.5 Chiều dày bản cánh dưới t R bf 14.5
Bảng 4.3 Đặc trưng tiết diện của dầm I
Ah^2 (mm4) Bản cánh trên 2880 4.00 11520 34560 179.219 92504334
Bản bụng 2400 162.00 388800 18000000 21.219 1080622 Bản cánh dưới 4168.75 319.25 1330873 73040 -136.031 77140005
Hình 4.29 Mối quan hệ tải trọng-độ võng của mô hình dầm cầu CFT và dầm I
U Nhận xét: Đường cong tải trọng – độ võng của mô hình dầm CFT so với dầm I truyền thống như sau: Ở giai đoạn đầu của miền đàn hồi, tải trọng nhỏ (dưới 500kN) kết quả không có sự chênh lệch đáng kể; ở giai đoạn sau của miền đàn hồi, tải trọng gần đạt tới hạn (lớn hơn 500kN) mô hình dầm CFT có độ cứng nhỏ hơn, dấu hiệu phi tuyến xuất hiện sớm hơn, tuy nhiên khi tải trọng đạt tới khoảng 1000kN thì dầm CFT cho thấy một độ dẻo cao và vẫn duy trì cường độ (điều này phù hợp với các nghiên cứu trước [6]), khi đó độ võng dầm CFT thấp hơn so với dầm I khoảng 10.5%, dầm I xuất hiện dấu hiệu mất ổn định tổng thể Mặt khác, có một điểm lưu ý nữa là mặc dù có cùng hai mặt cắt ngang có cùng độ cứng nhưng dầm CFT có trọng lượng bản thân lớn hơn so với dầm I Điều này dự kiến sẽ làm cho dầm thép nhồi bê tông có thể giảm mức độ tiếng ồn và độ rung của cầu gây ra bởi giao thông
Tải trọng áp dụng (kN) Độ võng giữa nhịp (mm) Quan hệ tải trọng -độ võng
Hình 4.30 Thiết lập mô hình dầm cầu CFT và dầm I
Hình 4.31 Sơ đồ tải trọng áp dụng và phản lực dầm cầu CFT và dầm I
Hình 4.32 Sơ đồ phân bố độ võng dầm cầu CFT và dầm I
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Trong luận văn này, các nghiên cứu về ứng xử chịu uốn của dầm ống thép nhồi bê tông bằng phần mềm phần tử hữu hạn Abaqus đã được thực hiện Các mô hình số bao gồm ống thép rỗng, ống thép nhồi vữa cường độ thấp, ống thép nhồi bê tông cường độ bình thường và ống thép nhồi bê tông với bản bê tông phía trên như một dầm cầu đã được thiết lập và xác minh với các kết quả thực nghiệm được công bốtrước đó. Ứng xử cơ học của ống thép nhồi bê tông chịu ảnh hưởng bởi cường độ bê tông Sự hiện diện của bê tông nhồi làm kéo dài phạm vi dẻo của ống thép rỗng
Cường độ chịu uốn của ống thép nhồi bê tông cao hơn 56% so với cường độ chịu uốn của ống thép rỗng; còn cường độ chịu uốn của ống thép nhồi vữa cường độ thấp cao hơn 32% so với cường độ chịu uốn của ống thép rỗng Điều này cho thấy bê tông nhồi đóng vai trò quan trọng trong việc tăng độ dẻo và cường độ chịu uốn của ống thép rỗng Mặt khác, việc sử dụng vữa cường độ thấp có thể làm giảm trọng lượng bản thân dầm mà vẫn đảm bảo khá tốt khảnăng chịu uốn
Việc sử dụng dầm ống thép nhồi bê tông như một dầm cầu thay thế cho dầm I truyền thống cũng đã được xem xét Trên cơ sở hai tiết diện dầm có cùng độ cứng EI, kết quả cho thấy dầm ống thép nhồi bê tông có một độ dẻo cao hơn so với dầm I
Qua kết quả nghiên cứu, luận văn kiến nghị một số vấn đề dưới đây khi thiết kế dầm cầu bằng vật liệu ống thép nhồi bê tông:
Việc sử dụng vật liệu nhồi có cường độ thấp như vữa không khí có thể làm giảm trọng lượng bản thân của kết cấu mà vẫn đảm bảo hiệu suất của dầm CFT
Hệ thống cầu liên hợp thép bê tông cốt thép sử dụng dầm ống thép nhồi bê tông làm dầm chính cho khả năng chịu lực vượt trội so với dầm thép I truyền thống Điều này cho thấy tính khả thi cao trong việc lựa chọn hệ thống cầu mới này trong các công trình xây dựng cầu.
Ngoài các kết quả đã được nghiên cứu nêu trên, nhằm hoàn thiện nghiên cứu và làm rõ hơn bản chất của kết cấu dầm cầu ống thép nhồi bê tông cần xem xét phát triển một sốhướng nghiên cứu sau đây:
Xây dựng mô hình dầm cầu liên tục hai hoặc ba nhịp để xem xét ứng xử của kết cấu CFT khi chịu mô men uốn âm Ứng xử của dầm cầu CFT khi chịu tải trọng hoạt tải, động đất, mỏi
Xem xét ứng xử của dầm cầu CFT khi lắp đặt cáp dựứng lực vào bên trong lõi bê tông
[1] Nguyễn Như Khải, Nguyễn Bình Hà, Phạm Duy Khoa Cầu thép bê tông cốt thép liên hợp Nhà xuất bản Xây dựng, 2005
[2] GS.TS Nguyễn Viết Trung, KS Trần Việt Hùng Kết cấu ống thép nhồi bê tông Nhà xuất bản Xây dựng
[3] Sứren Hansen, “Numerical and Experimental Study of Partially Concrete-Filled
Circular Steel Sections”, Master’s Thesis, Faculty of Engineering and Science
[4] Jae-Yoon Kang et al - Flexural Behavior of Concrete-Filled Steel Tube Members and Its Application Steel Structures 7 (2007) 319-324
[5] Shun-ichi Nakamura et al - New technologies of steel/concrete composite bridges Journal of Constructional Steel Research 58 (2002) 99–130
[6] Nazanin Mossahebi, Aaron Yakel, Atorod Azizinamini, Experimental investigation of a bridge girder made of steel tube filled with concrete, Journal of Constructional Steel Research 61 (2005) 371–386
[7] Jiho Mool et al - Analytical modeling of bending of circular concrete-filled steel tubes Engineering Structures 42 (2012) 349–361
[8] Specification for structural steel buildings AISC, Chicago, IL; 2010.