Phân tích mô hình tính toán kết cấu công trình bến cảng đặc biệt lắp ráp nhanh trong giai đoạn thi công xây dựng tại Việt Nam

Phân tích mô hình tính toán kết cấu công trình bến cảng đặc biệt lắp ráp nhanh trong giai đoạn thi công xây dựng tại Việt Nam, luận án cho các bạn nghiên cứu, tham khảo cũng như tìm hiểu trong quá trình học của mình về mô hình tính toán kết cấu công trình bến cảng đặc biệt lắp ráp nhanh trong giai đoạn thi công xây dựng tại Việt Nam

NCS NGuyễn thị bạch dương

PHÂN TíCH mô hình tính toán kết cấu CÔNG TRìNH bến cảng đặc biệt lắp ráp nhanh trong giai đoạn thi công xây dựng tại việt Nam

Luận án tiến sĩ kỹ thuật Chuyên NgàNH Xây dựng công trình đặc biệt

M∙ số : 62.58.50.05

Hà NộI, NĂM 2011

NCs Nguyễn thị bạch dương

PHÂN TíCH mô hình tính toán kết cấu CÔNG TRìNH bến cảng đặc biệt lắp ráp nhanh trong giai đoạn thi công xây dựng tại việt Nam

CHUYÊN NGàNH :XÂY DựNG CÔNG TRìNH ĐặC BIệT

Lêi cam ®oan

T«i xin cam ®oan ®©y lµ c«ng tr×nh nghiªn cøu cña riªng t«i

C¸c sè liÖu, kÕt qu¶ nªu trong LuËn ¸n lµ trung thùc vµ ch−a tõng ®−îc ai c«ng bè trong bÊt kú c«ng tr×nh nµo kh¸c

T¸c gi¶ LuËn ¸n

Nguyễn Thị Bạch Dương

Luận án ‘phân tích mô hình tính toán kết cấu công trình bến cảng đặc biệt lắp ráp nhanh trong giai đoạn thi công xây dựng ở việt Nam’ đến nay đã được hoàn thành theo đúng đề cương và tiến độ thời gian trước hết là do sự nỗ lực bền bỉ của bản thân theo sát sự chỉ bảo tận tình của các thầy hướng dẫn, sau đó là sự giúp đỡ khích lệ của nhiều thầy cô khác, của gia đình và bạn bè

Bằng tấm lòng kính trọng tôi xin chân thành cảm ơn PGS-TS Phạm Văn Giáp, PGS-TS Hoàng Hà đã hướng dẫn một cách logic, mạch lạc từng nội dung, từng bước đi của quá trình thực hiện Luận án

Lời cảm ơn chân thật này xin gửi tới GS-TS Nguyễn Viết Trung – nguyên Trưởng Bộ môn Công trình GTTP và CTT đã giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi nhất cả về tinh thần lẫn vật chất cho tôi hoàn thành Luận án

Tôi xin cảm ơn Ban giám hiệu, Phòng đào tạo sau đại học, Khoa Công trình cùng tất cả các thầy cô trong Bộ môn Công trình GTTP & CTT đã giúp

đỡ tạo mọi điều kiện cần thiết cho tôi nghiên cứu

Cuối cùng xuất phát từ đáy lòng tôi vô cùng cảm kích mọi sự giúp đỡ của bạn bè, đồng nghiệp, đặc biệt là sự hy sinh, động viên, khích lệ của gia

đình Bố Mẹ tôi, của chồng con đã lo lắng chăm sóc tôi ở mọi thời điểm để tôi tập trung cao sức lực cho Luận án

Hà Nội, tháng 10/2011

NCS Nguyễn Thị Bạch Dương

Trang phô b×a

Lêi cam ®oan

Lêi c¶m ¬n

Môc lôc

Danh môc c¸c ký hiÖu vµ ch÷ viÕt t¾t

Danh môc c¸c b¶ng biÓu

Ch−¬ng 1: Tæng quan vÒ bÕn c¶ng biÓn l¾p r¸p nhanh vµ kh¶ n¨ng øng dông trong

x©y dùng c¶ng ë ViÖt Nam

1.4 §iÒu kiÖn tù nhiªn vïng biÓn ViÖt Nam vµ c¸c vÞ trÝ cã thÓ x©y dùng BLRN 22

3.1.1 Các quy định chung về tính toán công trình bến phù hợp với BLRN 69

3.2.1 Đài cọc khi là phương tiện thuỷ 78

3.3 Các tổ hợp tải trọng tính toán điển hình cho thi công và khai thác 79

3.4.2 Giới thiệu các phần mềm ứng dụng ANSYS – SAP2000 – MIDAS

Chương 4: ứng dụng tính to n cụ thể v đánh giá kết quảả

4.2 Phân tích, lựa chọn các ví dụ tính toán BLRN tại một số vị trí xây

4.2.2 Lựa chọn vị trí xây dựng với các điều kiện tự nhiên và điều kiện

4.4 Biểu diễn và xử lý các kết quả tính toán của các ví dụ 111

4.4.3 BLRN trong vùng không đ−ợc che chắn trong TH không khai thác

4.5 Đánh giá các kết quả tính toán và đề xuất các giải pháp khi kết quả

4.5.4 Đề xuất mốt số giải pháp khi kết quả tính ch−a thoả mGn khi kiểm

BLRN Bến lắp ráp nhanh hoặc bến lắp ráp nhanh cố định

KTB Kinh tế biển

TH Trường hợp

Ac Dieọn tớch tieỏt dieọn coùc (m2)

Acc Diện tích tiết diện cột chống (cm2)

Ap Dieọn tớch muừi laỏy baống dieọn tớch tieỏt dieọn ngang cuỷa thaứnh oỏng (m2)

a Tham số trong tính toán hệ số đàn hồi theo phương đứng

Bmax Chiều rộng thiết kế của sà lan

b Khoảng cách giữa các trung điểm của hai nhịp ngang kề cận của các xà

ngang được đỡ bởi cột chống (m)

D Caùnh daứi cuỷa tieỏt dieọn coùc hoaởc ủửụứng kớnh coùc oỏng (m)

d Khoảng cách dự phòng của bến (m)

Ec Mô đun đàn hồi vật liệu thép làm cọc (T/m2)

Edn, Eidn Mô đun đàn hồi của vật liệu dầm ngang tương đương và mô đun đàn hồi của

vật liệu cấu kiện thứ i trên mặt cắt ngang qua vị trí khung khoẻ sà lan (T/m2)

Edd, Eidd Mô đun đàn hồi của vật liệu dầm dọc tương đương và mô đun đàn hồi của vật

liệu cấu kiện thứ i trên mặt cắt dọc qua vị trí khung khoẻ sà lan (T/m2)

Es, Eis Mô đun đàn hồi của vật liệu sàn tương đương và mô đun đàn hồi của vật liệu

cấu kiện thứ i trên mặt cắt ngang baỏt kyứ qua saứ lan khoõng truứng vụựi khung khoeỷ (T/m2)

Fcc Dieọn tớch tieỏt dieọn coọt choỏng choùn (m2)

fi Ma saựt beõn cuỷa lụựp ủaỏt thửự i maởt beõn cuỷa thaõn coùc (T/m2)

h Tải trọng boong quy định theo [34] (kN/m)

Hm Chiều cao mạn sà lan (m)

Icc Mô men quán tính nhỏ nhất của tiết diện cột chống (cm4)

Jdd Moõ men quaựn tớnh tửụng ủửụng cuỷa daàm doùc ủửụùc tớnh taùi moọt maởt caột

doùc qua vũ trớ khung khoeỷ saứ lan (m4)

Jdn Moõ men quaựn tớnh tửụng ủửụng cuỷa daàm ngang ủửụùc tớnh taùi moọt maởt caột

ngang qua vũ trớ khung khoeỷ saứ lan (m4)

Jidd Moõ men quaựn tớnh cấu kiện thứ i của mặt cắt dọc qua vị trí khung khoẻ (m4)

Jidn Moõ men quaựn tớnh cấu kiện thứ i của mặt cắt ngang qua vị trí khung khoẻ

(m4)

baỏt kyứ qua saứ lan khoõng truứng vụựi khung khoeỷ (m4)

Jis Moõ men quaựn tớnh cấu kiện thứ i cuỷa maởt caột ngang baỏt kyứ qua saứ lan

khoõng truứng vụựi khung khoeỷ (m4)

kxi, kyi,kzi Hệ số nền theo phương ngang và phương đứng, phụ thuộc vào tính chất cơ lý

của nền đất của các lớp đất mà cọc xuyên qua (T/m3)

kv Độ cứng lò xo dọc trục (tại mũi cọc) (T/m)

L Chiều dài sà lan (m)

Lcdd Chiều dài cọc dưới đất (m)

Lmax Chiều dài lớn nhất của sà lan (m)

Ltk Chiều dài thiết kế của sà lan (m)

lcc Chieàu daứi coọt choỏng (cm)

li: Chiều dài đoạn cọc thứ i (m)

lin Chieàu daứy cuỷa lụựp ủaỏt thửự i trong chieàu daứi tớnh toaựn cuỷa coùc (m)

Ln Chieàu daứi chũu neựn cuỷa coùc (m)

Lo Chieàu daứi tửù do cuỷa coùc (m)

Lt Chieàu daứi taứu tớnh toaựn (m)

Lu Chieàu daứi chũu uoỏn cuỷa coùc (m)

md Hệ số phụ thuộc điều kiện làm việc

mf Heọọ soỏ ủieàu kieọn laứm vieọc cuỷa ủaỏt ụỷ maởt beõn coùc

mR Heọ soỏ ủieàu kieọn laứm vieọc cuỷa coùc trong ủaỏt

n Hệ số vượt tải lấy bằng 1,25

nc Hệ số tổ hợp tải trọng

N Giá trị N của thí nghiệm xuyên tiêu chuẩn SPT

kn Hệ số đảm bảo xét đến tầm quan trọng và cấp công trình

Pcc Taỷi troùng taọp trung lụựn nhaỏt, hoaởc laứ taỷi troùng phaõn boỏ treõn boong lụựn nhaỏt

treõn moọt ủụn vũ dieọn tớch maứ coọt choỏng phaỷi ủụừ (T)

Pk Lực kéo một thanh nối của kích Delong đôi (T)

Pn Phản lực thu được tại vị trí cọc từ kết quả của bài toán phân tích trạng thái

ứng suất biến dạng (T)

Pm Phản lực thu được tại vị trí có kích từ kết quả của bài toán phân tích trạng

thái ứng suất biến dạng (T)

q1 Tải trọng khai thác mặt bến (T/m2)

Qn Tải trọng neo (T)

qp Cửụứng ủoọ chũu taỷi cuỷa ủaỏt dửụựi muừi coùc (T/m2)

Rn Giá trị cường độ tiêu chuẩn của vật liệu (T/m2)

S Khoảng cách giữa các trung điểm hai nhịp dọc kề cận của các sống được đỡ

bởi cột chống (m)

SI Nội lực tính toán

Ttk Mớn nước của sà lan

u Chu vi tieỏt dieọn ngang thaõn coùc (m)

Wcc Taỷi troùng ủụừ bụỷi coọt choỏng (kN)

∆lc Khoaỷng caựch tim tụựi tim cuỷa caực coùc thaỳng ủửựng chũu taỷi troùng ngang (m)

∆0 Chiều sâu ngàm giả định (m)

φ Khả năng chịu lực tính toán của cấu kiện

φo Sửực chũu taỷi cho pheựp cuỷa coùc ủụn (T)

φgh Sửực chũu taỷi tieõu chuaồn theo ủaỏt neàn cuỷa coùc (T)

αbd Heọ soỏ bieỏn daùng

[σ] Giới hạn chảy của vật liệu (T/m2)

σmax ứng suất pháp lớn nhất (T/m2)

σmin ứng suất pháp nhỏ nhất (T/m2)

Chương 1

Bảng 1.1 Chiều cao và chu kỳ sóng tại vùng mỏ Bạch Hổ 25

Bảng 1.2 Những đặc trưng thuỷ triều ven biển Việt Nam 26

Bảng 1.3 Những trị số đặc trưng của mực nước biển theo số liệu quan trắc nhiều năm 27

Bảng 1.4 Mực nước cực đại, cực tiểu với tần suất hiếm 27

Bảng 4.1 Bảng liệt kê các điều kiện tự nhiên các ví dụ tính toán 101

Bảng 4.12 Bảng tính toán hệ số đàn hồi theo phương ngang (VD5) 110

Bảng 4.14 Kết quả ứng suất trong các TH kích nâng, hạ, giữ bằng T/m2 113

(VD1- các gối đàn hồi) 117 Bảng 4.20 Giá trị các phản lực trong các TH tổ hợp tải trọng (VD1-ngàm đàn hồi) 117 Bảng 4.21 Bảng giá trị ứng suất tổng trong các trường hợp tổ hợp tải trọng bằng T/m2

H×nh 1.22 Thi cÇu tµu thø 2 d¹ng BLRN t¹i Cam Ranh, n¨m 1966 13

    

Hình 1.35 Một cầu tàu dạng BLRN sử dụng tại Cam Ranh đã được kéo quay trở

Hình 1.38 Cầu cảng LRN Jeddah, Saudi Arabia dạng di động 21 Hình 1.39 Cảng Johor cầu tàu số IV ở Malaysia cho tàu 60.000DWT 21 Hình 1.40 Cầu cảng Yanbu, Saudi Arabia cho tàu 72.000DWT 21 Hình 1.41 Căn cứ hậu cần Labuan, Đảo Labuan MaLaysia 21

Hình 1.44 Cầu cảng Sippitang – Sabah cho tàu 150.000DWT, lớn nhất Châu á 22

Hình 1.52 Sơ đồ tính với cọc các gối đàn hồi vào đất 39 Hình 1.53 Sơ đồ tính với cọc nối vào đất bằng các thanh liên kết khớp hai đầu 39 Hình 1.54 Sơ đồ tính cọc làm việc đồng thời với nền 39

Chương 2

Hình 2.2 Sơ đồ khối tính toán thiết kế công trình BLRN 45

Hình 2.4 Biểu đồ nội lực của liên kết thanh giằng kích với sà lan 50 Hình 2.5 Mô hình cọc làm việc đồng thời với đất nền 52

Hình 2.24 Jackup MOPU 3000 và MOPU mat, cọc có D = 3,5m 67

Hình 2.26 Mô hình tính một phân đoạn jacket công trình sân bay quốc tế Tokyo 68

Chương 3

Hình 3.3 Đường cong mô men hồi phục & mô men nghiêng do gió 77

Hình 3.15 Mô hình BLRN TH 2, liên kết các gối đàn hồi vào đất 90

    

Hình 3.19 Mô hình BLRN TH 4, liên kết các gối đàn hồi vào đất 91

Hình 3.21 Mô hình BLRN TH5, liên kết các gối đàn hồi vào đất 92 Hình 3.22 Mô hình BLRN TH không khai thác, liên kết ngàm vào đất 92

Hình 3.29 Hiển thị đường ảnh hưởng chuyển vị phần tử 1120 94

Chương 4

Hình 4.1 Kết cấu mạn dọc, ngang, vách ngăn dọc ngang của sà lan 99 Hình 4.2 Kết cấu boong, mặt cắt qua vị trí sống phụ của sà lan 99

Hình 4.4 Mô hình tính với trụ đường kính 2m được mô phỏng là các phần tử tấm 103 Hình 4.5 Mô hình tính với 8 gối treo cho mỗi vị trí kích 103

Hình 4.9 Mô hình hoá kết cấu phân đoạn BLRN với liên kết ngàm chặt vào đất 106 Hình 4.10 Mô hình hoá phân đoạn BLRN với liên kết các gối đàn hồi vào đất 106

    

Hình 4.18 Đồ thị ứng suất âm nhỏ nhất các TH với mô hình các gối đàn hồi 123 Hình 4.19 Đồ thị ứng suất dương lớn nhất các TH với mô hình các gối đàn hồi 123

Việt Nam có chiều dài bờ biển trên 3260 km, có khoảng 160 cửa sông đổ ra biển, có rất nhiều vịnh, vũng để xây dựng các cảng biển ngang tầm thế giới như: Cam Ranh, Vân Phong, Đầm Môn, Dung Quất, Ghềnh Rái, Mũi Né, Liên Chiểu, Chân Mây, Vũng áng, Nghi Sơn, Cửa Lục, Cửa Ông, Tiên Yên v.v… và 2.779 hòn

đảo lớn nhỏ với tổng diện tích 1.636 km2 Tuy phân bố các đảo không đều, nhưng tất cả các vùng biển ven bờ Việt Nam đều có các đảo che chắn ở mức độ khác nhau Thêm nữa Việt Nam có 41.900 km đường sông trong đó đa khai thác 11.000 km cho

đường thuỷ nội địa

Có thể nói Việt Nam đủ cơ sở để phát triển đều cả 5 ngành kinh tế biển (KTB) (Cảng, Đóng tàu, Dầu khí, Hải sản, Du lịch biển - Lấn biển), trong đó cảng biển là then chốt, động lực, đầu tàu nên phải được hiện đại hoá một bước, phát triển trước một bước nhất là khi chiến lược cạnh tranh phải chớp thời cơ để tranh giành thị phần, thị trường

Theo quan điểm và mục tiêu của quy hoạch phát triển hệ thống cảng biển Việt Nam đến năm 2020 và định hướng đến năm 2030: tận dụng tối đa lợi thế về vị trí địa

lý và điều kiện tự nhiên để phát triển toàn diện hệ thống cảng biển, đột phá đi thẳng vào hiện đại, nhanh chóng hội nhập với các nước trong khu vực về lĩnh vực cảng biển; phát triển hợp lý giữa các cảng tổng hợp quốc gia, cảng chuyên dụng, cảng địa phương, chú trọng phát triển cảng nước sâu ở cả ba miền; phát triển hướng mạnh ra biển để nhanh chóng tiếp cận với biển xa, giảm thiểu khó khăn trở ngại về luồng tàu vào cảng; kết hợp chặt chẽ giữa phát triển cảng biển với quản lý bảo vệ môi trường,

đảm bảo sự phát triển bền vững, gắn liền với yêu cầu đảm bảo an ninh quốc phòng v.v… Do đó việc tập trung xây dựng các cảng nước sâu, cảng trung chuyển cho tàu

có trọng tải lớn đạt tiêu chuẩn quốc tế và phát triển bến cảng tại các huyện đảo phục

vụ phát triển kinh tế - xa hội, an ninh, quốc phòng và củng cố an ninh quốc phòng là một trong những nhiệm vụ quan trọng trong chiến lược phát triển kinh tế biển Hiện nay trên thế giới xu thế các dạng kết cấu công trình cảng lắp ghép với ưu

điểm rút ngắn thời gian thi công ngoài hiện trường mà vẫn đảm bảo yêu cầu về thi công an toàn, kết cấu bền vững ngày càng được ứng dụng nhiều BLRN là kết cấu bến cảng lắp ghép với các đặc điểm thời gian thi công rất nhanh, sử dụng phương pháp thi công có tính công nghiệp hoá, tính cơ động cao, kết cấu bền vững, lại có thể xây dựng ở khu vực nước sâu, những nơi có mực nước thường xuyên thay đổi gần bờ hoặc nơi hải đảo xa đất liền đa được áp dụng khá phổ biến cho mục đích thương mại và cả quân sự ở nhiều nước trên thế giới như Mỹ, Nam Mỹ, Châu Phi, Singapo, Malaixia, Thái Lan v.v… và cũng đa từng được xây dựng tại Việt Nam Với những đặc điểm và yêu cầu xây dựng cảng như trên cho thấy việc áp dụng BLRN trong xây dựng cảng biển là rất cần thiết

Để Việt Nam có thể tự và chủ động trong chế tạo phân đoạn BLRN điển hình

và đặc biệt là làm chủ trong thi công lắp dựng BLRN phù hợp với các nhu cầu và

đặc điểm đặt ra như: đáp ứng cho nhu cầu vào và ra của các loại tàu có mớn nước lớn trong hiện tại và tương lai; điều kiện xây dựng trên nền đất rất yếu, khu nước có mực nước thường xuyên thay đổi, điều kiện tự nhiên nằm trong khu vực được che chắn và không được che chắn (như xây dựng các căn cứ quân sự tại hải đảo, các cảng đảo và hải đảo); điều kiện về cung ứng vật liệu và chế tạo các bộ phận tại Việt Nam; trình độ khoa học và công nghệ tại Việt Nam v.v cần nghiên cứu đầy đủ về

các vấn đề liên quan Những nội dung nghiên cứu của Luận án “Phân tích mô hình tính toán kết cấu công trình bến cảng đặc biệt lắp ráp nhanh trong các giai đoạn thi công xây dựng tại Việt Nam” sẽ góp phần giải quyết các vấn đề đòi hỏi cấp thiết từ

thực tế nêu trên

02 Mục tiêu và những nội dung cần giải quyết của Luận án

Trên thế giới BLRN là một loại kết cấu bến cảng mà hải quân Mỹ dùng để

phục vụ mục đích quân sự (1930 – 1970), sau năm 1970 nó được ứng dụng cho xây dựng cảng dầu, cảng hàng tổng hợp và chuyên dụng container với bản quyền thiết kế

và thi công của IPCO Group (trước đây là sự kết hợp của GEM HERSENT – Paris, HERSENT OFFSHORE LTD.- London và DELONG CORPORATION – New York) Vì vậy các tài liệu về BLRN hầu như không có và không đủ để phục vụ cho việc thiết kế và thi công để áp dụng loại kết cấu bến này tại Việt Nam Ngoài ra, hiện nay IPCO Group có thiết kế và chế tạo sẵn các bộ phận BLRN cho xây dựng ở nhiều nơi trên thế giới và ứng với các điều kiện tự nhiên của nhiều vùng miền có thể gây lang phí về kinh tế khi áp dụng xây dựng tại Việt Nam

Tài liệu dành riêng cho thiết kế và thi công BLRN tại Việt Nam chưa được đề cập mà chỉ có các tài liệu liên quan như: Tiêu chuẩn Việt Nam về kết cấu thép, quy phạm đóng tàu, về thiết kế công trình bến cảng biển, về thiết kế móng cọc, về tải trọng và tác động, tiêu chuẩn ngành về tải trọng và tác động do sóng và do tàu tác

động lên công trình thuỷ, hoặc một số Tiêu chuẩn có liên quan đến công trình xa bờ của Viện dầu mỏ Mỹ, Det Norske Verta hướng dẫn thiết kế một vài bộ phận giàn Jacket (kiểm tra ứng suất tĩnh tại vị trí mối nối của các thanh ống, lực cắt tại các vị trí nối), v.v

Nhằm mục tiêu đưa BLRN được ứng dụng rộng rai tại Việt Nam, hơn nữa Việt Nam có thể tự chủ động trong thiết kế và thi công loại kết cấu này thông qua việc nghiên cứu phân tích chọn mô hình tính phù hợp với các trạng thái làm việc của nhiều giai đoạn và phù hợp với đặc thù khách quan về điều kiện thiết kế, đặc biệt là

điều kiện thi công cũng như cấu tạo của BLRN, Luận án “Phân tích mô hình tính toán kết cấu công trình bến cảng đặc biệt lắp ráp nhanh trong các giai đoạn thi công xây dựng tại Việt Nam” ra đời

03 Phạm vi nghiên cứu

Luận án chỉ tập trung nghiên cứu về kết cấu BLRN với các đặc điểm sau:

- BLRN có kết cấu cầu tàu đài cao được cấu tạo bởi các modul đài là các phương tiện thuỷ được chế tạo sẵn rồi là phương tiện chuyên chở các bộ phận khác hoặc được kéo ra biển để lắp ghép với hệ cọc bằng các kích Delong

- Vùng hạn chế hoạt động ven biển Việt Nam cho bộ phận đài cọc khi là

phương tiện thuỷ thuộc vùng hạn chế cấp III (vùng biển hở hạn chế cách xa bờ hoặc nơi trú ẩn nhỏ hơn 20 hải lý)

- Điều kiện địa chất nơi xây dựng cho phép đóng cọc (không là nền san hô)

04 phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu được lựa chọn là phương pháp lý thuyết :

- Thông qua việc tham khảo các tài liệu có liên quan để nghiên cứu tổng quan

về BLRN, về điều kiện tự nhiên Việt Nam ảnh hưởng đến xây dựng BLRN cũng như

điều kiện cung ứng vật tư, chế tạo tại Việt Nam, tổng hợp cập nhật cấu tạo và mô hình tính để xây dựng mô hình tính toán BLRN

- Nghiên cứu lý thuyết về bản chất và các trạng thái làm việc của BLRN qua các giai đoạn thi công để xây dựng mô hình tính Sử dụng những thành tựu khoa học, kỹ thuật của thế giới và Việt Nam, tham khảo các công trình liên quan để phân tích, lựa chọn mô hình tính BLRN theo các giai đoạn thi công gần sát với mô hình thực tế

- Kiến nghị sử dụng tiêu chuẩn, quy phạm trong tính toán thiết kế sơ bộ các bộ phận BLRN, tính toán tải trọng tác dụng BLRN và các tài liệu liên quan Kiến nghị lựa chọn phần mềm thích hợp để phân tích trạng thái ứng suất và biến dạng BLRN trong thi công và khai thác

- Tiến hành thiết kế một phân đoạn BLRN mẫu ứng với các điều kiện tự nhiên trong quá trình thi công và khai thác tại Việt Nam

05 ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu

Về nghiên cứu lý thuyết:

- Luận án nghiên cứu tính năng, tác dụng, ưu nhược điểm và phạm vi ứng dụng của dạng BLRN trên thế giới và Việt Nam, các điều kiện tự nhiên phù hợp cho áp dụng BLRN tại Việt Nam cho hiện tại và tương lai

- Luận án nghiên cứu về tiến trình thi công BLRN để xác định các giai đoạn tính toán thi công điển hình và các vấn đề liên quan đến xây dựng và lựa chọn mô hình tính BLRN trong thi công xây dựng tại Việt Nam

- Xây dựng và hoàn thiện một bước mô hình tính toán điển hình BLRN theo các giai đoạn thi công

+ Mô hình BLRN tương ứng với giai đoạn thi công lắp dựng khác với các kết cấu bến thông thường khác (mô hình cọc - kích, mô hình sà lan –cọc) từ đó xác định mô hình phân tích kết cấu và các tác động đến các bộ phận chi tiết của BLRN theo từng giai đoạn thi công

+ Mô hình BLRN ở giai đoạn khai thác: xây dựng mô hình kết cấu không gian

Đi sâu hơn vào phân tích lựa chọn điều kiện biên liên kết, vận dụng Tiêu chuẩn OCDI 2002 của Nhật chọn liên kết giữa cọc với đất nền theo mô hình ngàm đàn hồi phù hợp hơn với thực tế So sánh kết quả phân tích sử dụng mô hình ngàm đàn hồi nói trên với mô hình ngàm cứng theo Tiêu chuẩn hiện hành của Việt Nam, đánh giá mức độ phù hợp thực tế, và khả năng áp dụng của hai mô hình khi phân tích kết cấu BLRN

Về nghiên cứu ứng dụng

- Đề xuất loại kết cấu bến phù hợp với mục tiêu phát triển hệ thống cảng biển hiện nay tại Việt Nam là BLRN BLRN là một dạng cầu tàu đài cao mềm có cấu tạo: + Đài là Sà lan mẫu

+ Cấu tạo nền cọc, các hệ cọc thép có đường kính D = 1,8m; D = 1,2m;

+ Khai thác một dạng liên kết Delong cho thi công BLRN

- Phân tích, luận chứng để đề xuất, kiến nghị các tài liệu, tiêu chuẩn, quy phạm

áp dụng bước đầu trong thiết kế và thi công BLRN tại Việt Nam

- Kiến nghị ứng dụng phần mềm thích hợp vào phân tích kết cấu BLRN Trong

kỹ năng phân tích chi tiết đa sử dụng mô hình hỗn hợp gồm thanh, tấm, khối v.v… với các điều kiện biên liên kết phù hợp

- Thiết kế một phân đoạn BLRN mẫu có khả năng ứng dụng thực tế ứng với quy mô của 5 loại cảng hiện đại khác nhau tại Việt Nam thông qua phân tích 6 ví dụ với các tham số đầu vào cơ bản như kích cỡ sà lan, đường kính cọc ống thép, điều kiện tải trọng và các tác động khác nhau tương ứng với các vùng biển đặc trưng Bắc

Bộ, Trung Bộ, Nam Bộ và Vịnh Thái Lan

Chương 1 Tổng quan về bến lắp ráp nhanh và khả năng ứng dụng

trong xây dựng cảng ở việt nam 1.1 Khái niệm và cấu tạo BLRN

BLRN là kết cấu bến cầu tàu đài cao với đài cọc là các sà lan thép và nền cọc

là các cọc ống thép có đường kính lớn Khác với bến cầu tàu, BLRN sử dụng kích Delong trong thi công lắp dựng

* §µi cäc

§µi cäc ®−îc cÊu t¹o bëi c¸c sµ lan thÐp l¾p dùng nèi tiÕp nhau tuú theo h×nh d¹ng mÆt b»ng lµm viÖc cña bÕn lµ nh« (h×nh 1.2), h×nh ch÷ L (h×nh 1.5), T, h×nh bµn tay (h×nh 1.3, h×nh 1.6), song song víi bê (h×nh 1.7), v.v…

H×nh 1.5 MÆt b»ng vµ mÆt c¾t ngang BLRN h×nh ch÷ L

H×nh 1.6 MÆt b»ng lµm viÖc BLRN h×nh bµn tay

H×nh 1.7 MÆt b»ng lµm viÖc BLRN song song víi bê

Mçi ph©n ®o¹n bÕn lµ mét sµ lan trªn nÒn cäc, kÝch th−íc cña sµ lan phô thuéc vµo chiÒu dµi bÕn, chiÒu réng bÕn vµ nÒn cäc thiÕt kÕ Sµ lan ®−îc gia c«ng chÕ t¹o

sẵn trên bờ thường có kích thước 90x30x4,5m hoặc 91,44x24,384x3,9624m, 45,72x 18,288x3,048m được kéo tới hoặc là phương tiện chuyên chở các bộ phận khác của cầu cảng đến vị trí xây dựng (hình 1.9).

Hình 1.8 Kết cấu sà lan dùng cho đài của BLRN

Hình 1.9 Kéo Sà lan cầu tàu tới vị trí xây dựng

* Nền cọc

Nền cọc bao gồm các cọc ống thép được đóng sâu vào trong đất tạo thành một

hệ thống móng sâu để truyền lực từ đài xuống nền đất Cọc ống thép thường có

đường kính D = 1,2m ữ 1,8m với bề dày 32mm

* Hệ thống kích nâng hạ

Hệ thống kích liên kết sà lan và cọc làm nhiệm vụ giữ, nâng, hoặc hạ sà lan

xuống cao trình cần thiết trong quá trình thi công hoặc khai thác

Với BLRN cố định bộ phận kích được sử dụng để liên kết tạm thời giữa sà lan với cọc và sau khi hàn cố định sà lan với cọc kích sẽ được tháo dỡ Với BLRN bán

cố định bộ phận kích này được sử dụng trong suốt thời gian thi công cũng như khai thác

Hệ thống kích Delong được giới thiệu dưới đây, hoạt động khi áp suất khí nén 350p.s.i, tốc độ của kích có thể nâng hạ 2ữ 20 feet /h (0,6036 ữ 6,036 m/h) được

hoạt động nhờ hệ thống thiết bị nén khí tại trạm điều khiển trung tâm đồng bộ hoặc trạm điều khiển cục bộ Thông qua hệ thống này ta có thể điều chỉnh nâng hạ 1 hoặc cả nhóm kích trên 1 cọc hoặc trên nhóm cọc Các thông số kỹ thuật của một loại kích phụ thuộc vào yêu cầu sử dụng Thông thường loại kích dùng cho loại cọc ống thép có đường kính D = 1,8 m là kích Delong đơn hoặc Delong đôi [48]

- Kích Delong đơn công suất nâng 500 tấn, giữ 1000 tấn (hình 1.1,1.4,1.10)

- Kích Delong đôi công suất nâng 1069 tấn, giữ 2000 tấn (hình 1.11a, 1.11b) Ngoài kích Delong, hiện nay trên thế giới còn có nhiều loại kích khác với các công suất khác nhau như mô tả ở hình 1.12 ữ 1.19

Hình 1.10 Kích Delong đơn

H×nh 1.12 KÝch cã c«ng suÊt n©ng 250T H×nh 1.13 KÝch container c«ng suÊt 1250T

Hình 1.18 Kích chạy bằng xăng công

suất 450T

Hình 1.19 Kích cho cọc có đường kính 2,3m

Nguồn www.rodson.com

* Ưu - nhược điểm của BLRN cố định

BLRN cố định khi khai thác có nhiệm vụ giúp các tàu thuyền neo đậu, bốc dỡ hàng hoá như các bến thông thường, có các ưu, nhược điểm sau:

Ưu điểm

- Thi công trong thời gian ngắn chỉ bằng khoảng 1/10 ữ 1/3 thời gian thi công các kết cấu bến thông thường (với cầu tàu 182,88 x 24,384 thời gian thi công 1 tháng [50], [51])

- Tận dụng được độ sâu của biển không cần phải nạo vét nhiều

- Có thể xây dựng xa bờ hoặc gần bờ

- Kết cấu vững chắc, sử dụng lâu dài, đáp ứng nhu cầu ra và vào cảng với loại tàu có mớn nước lớn

- Có thể tái sử dụng

Nhược điểm

- Cấu kiện gia công sẵn yêu cầu độ chính xác cao

- Khi lựa chọn xây dựng phải phân tích các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật do giá thành xây dựng cao

* Ưu - nhược điểm BLRN bán cố định

BLRN bán cố định trên nền cọc có cấu tạo như BLRN cố định chỉ khác là kích Delong có nhiệm vụ là một trong các bộ phận chính của kết cấu Khi công trình chịu ảnh hưởng của mực nước thay đổi thì kích giúp cho sà lan nâng lên hạ xuống một cách dễ dàng (hình 1.20, hình 1.21)

Hình 1.20 BLRN bán cố định tại Đà

Nẵng trước năm 1975

Hình 1.21 BLRN bán cố định tại Cam

Ranh, năm 1965

Ngoài những ưu nhược điểm như BLRN cố định, BLRN bán cố định thường

xây dựng tại những nơi có chiều sâu nước lớn hoặc khó thi công, những nơi mực nước thường xuyên thay đổi (nơi bị ảnh hưởng mạnh mẽ của thuỷ triều, nước dâng, sóng) Loại này chủ yếu ứng dụng chủ yếu cho mục đích quân sự hoặc các bến tạm,

công trình tạm BLRN bán cố định có năng suất bốc xếp thấp hơn BLRN cố định

Trong Luận án này sẽ lựa chọn BLRN cố định xây dựng để phục vụ cho phát triển KTB làm đối tượng nghiên cứu chính, các loại BLRN sử dụng cho mục đích quốc phòng có thể tham khảo và bổ sung các yêu cầu riêng

1.2 Trình tự và các giai đoạn thi công BLRN

Tuỳ từng truờng hợp cầu tàu hình bàn tay, song

song, dạng nhô, liền bờ, chữ T , chữ L , chữ U, v.v… mà tiến hành lựa chọn lắp dựng

sà lan nào trước

Nghiên cứu tính toán BLRN trong thi công phải xác định được tải trọng bản thân của sà lan để chọn và bố trí kích cho phù hợp, phải phân tích mô hình tính để xác định số lượng kích ít nhất song vẫn đảm bảo được độ bền kết cấu khi nâng hạ Bài toán xác định vị trí các cọc có lắp kích để đóng trước được đặt ra Các cọc không lắp kích thi công sau sẽ thuận lợi, an toàn, nhanh chóng hơn

Các bước thi công cơ bản (5 bước):

Bước 1: Kéo các sà lan tới vị trí xây dựng, định vị tạm thời các sà lan bằng dây neo

Tại vị trí xây dựng, sà lan định vị được neo giữ bằng các dây neo (có thể chọn

sà lan cuối cùng trong tiến trình thi công lắp dựng làm sà lan định vị) Sự dịch chuyển theo hai phương x, z trên mặt biển của sà lan định vị dưới tác dụng của các tác nhân tự nhiên vào các thời điểm khác nhau trong ngày được tiến hành theo dõi trước khi đóng các cọc có lắp kích Các chuyển dịch khi theo dõi sà lan định vị (trong trạng thái neo) được dự tính theo lý thuyết hoặc theo kinh nghiệm thi công kết hợp với việc thiết kế sai số nghiêng lệch do công tác đóng cọc đưa đến quyết

định số lượng cọc cần phải thi công đồng thời Sà lan định vị vừa làm nhiệm vụ định

vị cho sà lan thứ nhất và làm sàn công tác cho cẩu đóng cọc

+ Neo sà lan định vị tại vị trí sát vị trí cầu tàu định đóng

+ Tiến hành đóng cọc định vị theo hai phương x, z cho sà lan định vị

+ Lắp kích Delong lên các cọc đy đóng

Bước 2: Lắp dựng phân đoạn đầu tiên

- Kéo sà lan của phân đoạn thứ nhất vào vị trí đóng cọc (sà lan 1), neo sà lan 1 tựa vào sà lan định vị

- Đóng các cọc có lắp kích cho sà lan 1 Cẩu đóng cọc đặt trên sà lan định vị

- Lắp dựng kích cho các cọc của sà lan 1, kích giữ sà lan 1 ở vị trí cố định

Đóng nốt các cọc còn lại

- Nâng sà lan 1 cao hơn cao trình thiết kế, tiến hành hàn chi tiết gối đỡ

- Hạ sà lan 1 xuống tới cao trình thiết kế, tháo dỡ kích, cắt đoạn cọc thừa, hàn liên kết các bộ phận sà lan vào cọc

- Tháo dỡ kích và nhổ cọc ở sà lan định vị

Bước 3: Lắp dựng cầu dẫn (nếu có cầu dẫn ở sà lan 1)

- Lắp dựng các sà lan cầu dẫn theo trình tự như lắp dựng sà lan 1 ở trên

- Kéo sà lan tiếp theo vào vị trí lắp dựng

Bước 4: Lắp dựng các sà lan tiếp theo

Lắp dựng cho các sà lan tiếp theo và đến sà lan cuối cùng đều theo trình tự như lắp dựng sà lan 1

Bước 5: Các công tác cuối cùng và hoàn thiện mặt bằng

Lưu ý:

- Cọc đóng tới vị trí thiết kế nhưng có chiều dài thực lớn hơn chiều dài thiết kế

để kích có thể trượt trên đầu cọc, sau khi hàn cố định, tháo kích rồi tiến hành cắt cọc

- Do thi công ở biển khi đóng cọc dùng cọc dẫn tránh trường hợp búa đóng bị ngập nước (hình 1.27)

- Các bộ phận con trạch, cầu, mố trụ gần bờ khi hoàn tất mới lắp dựng cầu tàu

Dưới đây là trình tự thi công một cầu tàu hình L, với hai sà lan lắp nối tiếp nhau:

Bước 1: Từ hình 1.23 ữ hình 1.25 (sà lan 2 là sà lan định vị)

Bước 2: Từ hình 1.26 ữ hình 1.30

Hình 1.23 Kéo sà lan tới vị trí xây dựng Hình 1.24 Xác định vị trí lắp dựng cho sà lan

Hình 1.27 Công tác đóng cọc Hình 1.28 Nối cọc

định sà lan với cọc

Bước 3: Hình 1.31

Bước 4: Từ hình 1.32 ữ hình 1.33

Bước 5: Hình 1.34

1.2.2 Các giai đoạn tính toán thi công BLRN cố định

Với trình tự lắp ráp nêu trên, quá trình thi công chia thành 8 giai đoạn tính toán khác nhau như sau:

- Giai đoạn 1: Sà lan và cọc sau khi được chế tạo trên bờ được vận chuyển tới

vị trí xây dựng

- Giai đoạn 2: Neo giữ sà lan

- Giai đoạn 3: Đóng cọc tại vị trí lắp dựng kích

- Giai đoạn 4: Kích giữ sà lan cố định và đóng nốt các cọc còn lại

- Giai đoạn 5: Kích nâng sà lan cao hơn cao trình thiết kế, hàn liên kết sà lan vào cọc, hàn chi tiết gối đỡ

- Giai đoạn 6: Kích hạ sà lan xuống cao trình thiết kế, hàn liên kết sà lan và cọc, tháo kích

- Giai đoạn 7: Hoàn thiện các công việc còn lại

- Giai đoạn 8: Giai đoạn khai thác

1.2.3 Trình tự thi công BLRN bán cố định và việc tái sử dụng BLRN

a Trình tự thi công BLRN bán cố định và tạm

* Trình tự thi công BLRN bán cố định

Với BLRN bán cố định, không có thao tác hàn cố định cọc vào sà lan, không

có hàn chi tiết gối đỡ và cắt cọc Việc xác định số lượng kích trong phân đoạn BLRN quá trình thi công giống như trên, nhưng số lượng cọc dùng trong quá trình khai thác đều lắp kích (số lượng cọc, số hàng cọc theo phương ngang bến trong quá trình khai thác trên phân đoạn BLRN bán cố định thường ít hơn so với BLRN cố

định do việc bố trí thiết bị trên bến) Quá trình thi công lắp dựng tương tự như mục 1.2.1 nhưng trong bước 2 sau khi đóng nốt các cọc còn lại, các thao tác hàn cố định

sà lan với cọc, hàn chi tiết gối đỡ, cắt cọc thay bằng lắp nốt các kích cho các cọc còn lại

* Trình tự thi công BLRN bán cố định làm công trình tạm

Các bộ phận sà lan, kích, cọc tạo thành một khối thống nhất trước khi dịch chuyển tới vị trí xây dựng Các cọc đều lắp kích, sử dụng các kích này để đóng cọc

b Tái sử dụng BLRN

Hình 1.35 Một cầu tàu dạng BLRN sử dụng tại

Cam Ranh đã được kéo quay trở lại Mỹ, [46]

Các thao tác thi công cho quá trình tháo dỡ BLRN để tái sử dụng như sau:

* Công trình BLRN cố định (7 bước)

- Bước 1: Tháo dỡ hoặc dịch chuyển các thiết bị phục vụ quá trình khai thác BLRN (cần trục, hàng hoá, v.v…)

- Bước 2: Phá mối hàn mặt

boong với cọc, hàn nối cọc có lắp kích

- Bước 3: Lắp kích Delong, kích giữ sà lan Phá dỡ các liên kết hàn bên trong

thân sà lan với cọc và gối đỡ

- Bước 4: Kích hạ sà lan xuống cao trình mực nước

- Bước 5: Tháo kích (hoặc không tháo), neo giữa sà lan bằng hệ neo Cắt cọc và kéo sà lan ra khỏi hệ cọc

- Bước 6: Nhổ các các cọc để sử dụng lại, các cọc sau khi nhổ được chở đến vị trí xây dựng mới bằng các sà lan phân đoạn

- Bước 7: Dịch chuyển sà lan tới vị trí xây dựng mới

* Công trình BLRN bán cố định (5 bước)

- Bước 1: Tháo dỡ hoặc dịch chuyển các thiết bị phục vụ quá trình khai thác

- Bước 2: Dùng hệ thống kích Delong hạ sà lan xuống cao trình mực nước

- Bước 3: Neo giữa sà lan bằng hệ neo Cắt cọc và kéo sà lan ra khỏi hệ cọc

- Bước 4: Nhổ các các cọc để sử dụng lại, các cọc sau khi nhổ được chở đến vị trí xây dựng mới bằng các sà lan phân đoạn

- Bước 5: Dịch chuyển sà lan tới vị trí xây dựng mới

* Công trình BLRN làm công trình tạm phục vụ cho thi công xây dựng, cho các công trình an ninh quốc phòng

Kích hạ sà lan xuống mặt nước, sử dụng kích để nhổ cọc Dịch chuyển sà lan tới vị trí mới

Với các giai đoạn thi công và khai thác như trên, các giai đoạn làm việc khác nhau và điển hình BLRN cố định (BLRN) dưới quan điểm chịu lực được tập trung nghiên cứu như sau:

- Giai đoạn 4, 5 (khi lắp ráp) là giai đoạn thi công khác biệt so với các bến thông thường, bệ cọc chịu các lực nâng, hạ của kích Delong

- Giai đoạn 8 (khi khai thác), BLRN chịu ảnh hưởng của tất cả các lực tác dụng trong suốt vòng đời của công trình

1.3 Giới thiệu một số ví dụ BLRN

Do ưu điểm nổi bật nên kết cấu BLRN được xây dựng nhiều trên thế giới từ những năm 1950, độ tin cậy của công trình được đánh giá rất cao theo [48], [50], [51]

b) Cảng Precoidesa (1979) tại Guaranao – Venezuela

Kích thước của cầu tàu: 182,88x30,48 m gồm 2 Sà lan đơn và các cọc đường kính 1,8m dày 32mm

c) Cảng Precoidesa (1978) tại Puerto Cabell – Venezuela

Kích thước bến cầu tàu: 182,88x30,48 m

Thời gian lắp dựng tại vị trí xây dựng 1 tháng

d) Cảng Authority (1976-1977) tại Mina – Sulman – Bahrain

- Kích thước bến cầu tàu: 304,8x30,48 m, sử dụng cọc đường kính 1,8m dày 32mm

e) Cảng Whittier, USA tại Alaska

- Kích thước bến cập tàu : 207,35x27,43 m

f) Cảng Container American Export Line – New York

- Kích thước bến cầu tàu : 182,88x27,43 m

- Cọc đường kính 1,8m dày 32mm

H×nh 1.3 BLRN Puerto Guaranao

g) C¶ng quÆng cña C«ng ty ThÐp hoa kú Orinoco River – Venezuela (1952) víi kÝch th−íc bÕn cÇu tµu : 345,1x25 m

h) C¶ng than liÒn bê Consolidated Edition – New York (1955) víi kÝch th−íc 228,91 x 1,524 m i) C¶ng Puerto Guaranao Port ë Venezuela víi kÝch th−íc 180mx30m xem h×nh1.36

HiÖn nay, c¸c BLRN ®ang ®−îc x©y dùng t¹i c¸c c¶ng nh−:

k) C¶ng LRN Chabahar ë MiÒn NamIran dµi 1006m, thêi gian x©y dùng 8,5 th¸ng

lẫn thời bình Tuy nhiên do nhiều nguyên nhân các thông tin về chúng ít đ−ợc cập nhật

Hình 1.37 Cầu cảng LRN Chabahar

(Miền Nam Iran)

Hình 1.38 Cầu cảng LRN Jeddah, Saudi

Arabia dạng bán cố định

Hình 1.3 Cảng J hor cầu tàu số IV ở

Mala sia cho tàu 6 0 0DWT

Hình 1.4 Cầu cảng Yanbu, Saudi Arabia cho tàu 7 0 0DWT

Hình 1.4 Căn cứ hậu cần Labuan,

Đả Labuan MaLa sia a

Hình 1.4 Căn cứ dầu Me ak tại

Indonesia

Hình 1.43 Bến liền bờ Kuala Belait ở

Brunei

Hình 1.4 Cầu cảng Sippitang – Sabah cho tàu 1 0.0 0DWT, ớn nhất Châu á á

Nguồn [50]

1.3.2 Một số BLRN đã đ−ợc xây dựng tại Việt Nam

Một số BLRN đ−ợc xây dựng từ những năm 1965-1966, hiện nay các bến này không còn do đy đ−ợc dỡ bỏ để tái sử dụng hoặc bị phá huỷ do chiến tranh [48] Các BLRN tại việt Nam gồm cả dạng cố định và bán cố định nhằm phục vụ cho mục

c) Quy Nhơn (hình 47) phục vụ cho tàu chở dầu và một số hàng khác

- Cầu tàu chữ T 365,75x24,38m gồm 4 sà lan, 10 đoạn dầm cầu dẫn có bề rộng 121,92 x 18,288 m

- 2 cầu tàu nhô 182,88 x 24,384m

1.4 Điều kiện tự nhiên vùng biển Việt Nam và các vị trí có thể xây dựng BLRN 1.4.1 Giới thiệu về vùng biển Việt Nam

Việt Nam là một trong năm trung tâm đường thuỷ lớn nhất thế giới: Nga, Mỹ, Trung Quốc, Zaia, Việt Nam Hàng năm trên một nửa đội thương thuyền của thế giới, trên một nửa số lượng tàu chuyên chở dầu lớn của thế giới đều đi qua biển

Đông Lượng tàu thuyền chuyên chở dầu khí qua eo biển Malarca ở cuối Tây Nam biển Đông lớn gấp 3 lần lượng tàu qua kênh đào Suez và gấp 5 lần qua kênh đào Panama (hình 1.48)

Theo điều kiện khí tượng - thuỷ hải văn - địa lý biển Việt Nam chia thành 4 vùng:

- Vùng 1: vùng thềm lục địa Vịnh Bắc Bộ (có ranh giới phía Nam ở khoảng vĩ tuyến 17o Bắc thuộc Quảng Bình)