Phân tích đánh giá tính dư trong kết cấu cầu ở việt nam

i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu do tôi thực hiện. Các số liệu và kết quả trình bày trong luận án là trung thực, chưa được công bố bởi bất kỳ tác giả nào hay ở bất kỳ công trình nào khác. Hà Nội, tháng 07 năm 2015 Tác giả Nguyễn Viết Huy ii LỜI CẢM ƠN Luận án Tiến sỹ được thực hiện tại Trường Đại học Giao thông Vận tải dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS Trần Đức Nhiệm và PGS.TS Nguyễn Thị Minh Nghĩa. Nghiên cứu sinh xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới các thầy về định hướng khoa học, liên tục quan tâm sâu sát, tạo điều kiện thuận lợi trong suốt quá trình nghiên cứu, có những lúc nghiên cứu sinh cảm tưởng khó có thể tiếp tục nghiên cứu nhưng nhờ sự động viên, khích lệ của các thầy cộng với sự nỗ lực không ngừng nghỉ của bản thân, đến nay luận án đã được hoàn thành. Nghiên cứu sinh cũng xin được chân thành cảm ơn các nhà khoa học trong và ngoài nước, tác giả của các công trình nghiên cứu đã được nghiên cứu sinh sử dụng trích dẫn trong luận án về nguồn tư liệu quý báu, những kết quả liên quan trong quá trình nghiên cứu hoàn thành luận án. Nghiên cứu sinh trân trọng cảm ơn Ban Giám Hiệu, Phòng Đào tạo Đại học và Sau Đại học, Bộ môn Cầu Hầm, Hội đồng Tiến sỹ Trường Đại học Giao thông Vận tải đã tạo điều kiện để nghiên cứu sinh thực hiện và hoàn thành chương trình nghiên cứu của mình. Nghiên cứu sinh cũng xin trân trọng cảm ơn Bộ Giao thông Vận tải đã đưa vào quy hoạch đào tạo sau đại học giai đoạn 2011-2015, cảm ơn lãnh đạo Ban PPP đã tạo điều kiện cho nghiên cứu sinh vừa công tác vừa học tập, nghiên cứu. Cuối cùng là sự biết ơn đến ba mẹ, vợ và các con vì đã liên tục động viên để duy trì nghị lực, sự hy sinh thầm lặng, sự cảm thông, chia sẻ về thời gian, sức khỏe và các khía cạnh khác của cuộc sống trong cả quá trình thực hiện luận án. Hà Nội, tháng 8/2015 Nguyễn Viết Huy iii MỤC LỤC MỤC LỤC iii DANH MỤC HÌNH VẼ v DANH MỤC BẢNG BIỂU vii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU viii MỞ ĐẦU x Lý do để chọn đề tài x Mục đích nghiên cứu xii Phương pháp nghiên cứu xii Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài luận án xii Bố cục của luận án xiii CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ TÍNH DƯ VÀ XÁC ĐỊNH MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU 1 1.1 Tổng quan về các công trình cầu ở Việt Nam 1 1.1.1 Các dạng kết cấu nhịp cầu bê tông cốt thép và bê tông cốt thép dự ứng lực [2],[5] . 1 1.1.2 Các dạng kết cấu nhịp cầu thép [4] 4 1.1.3 Các dạng kết cấu mố, trụ [3] 7 1.2 Tổng quan về nghiên cứu tính dư 8 1.2.1 Các phương pháp được sử dụng để tính toán tính dư [29], [32], [48], [49], [50], [52], [57] 9 1.2.2 Nghiên cứu tính dư trong kết cấu công trình cầu 10 1.2.3 Nhận xét 14 1.2.4 Tính dư trong tiêu chuẩn thiết kế 22TCN 272-05 14 1.3 Những vấn đề còn tồn tại trong nghiên cứu tính dư 15 1.4 Những vấn đề đề tài tập trung nghiên cứu giải quyết 17 1.5 Kết luận chương 1 17 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ PHÂN TÍCH, ĐÁNH GIÁ VÀ ĐỊNH CHUẨN TÍNH DƯ CỦA KẾT CẦU VÀ ĐỀ XUẤT QUY TRÌNH TỔNG QUAN XÁC ĐỊNH TÍNH DƯ 18 2.1 Đánh giá tính dư cho kết cấu phần dưới [48] 19 2.1.1 Xác định kết cấu bên dưới điển hình 19 2.1.2 Các giả thiết về trạng thái làm việc của kết cấu và TTGH tương ứng [27], [48], [56]. 27 2.1.3 Phương pháp phân tích tính dư 30 2.1.4 Tính toán tính dư [75] 34 2.1.5 Quan hệ giữa hệ số hệ thống s với phương pháp độ tin cậy của tính dư u và tỉ lệ bảo toàn hệ thống Ru 56 2.1.6 Tỉ lệ bảo toàn hệ thống của hình dạng kết cấu bên dưới định hình 58 2.1.7 Quy trình xác định tính dư cho kết cấu phần dưới [48] 60 2.2 Đánh giá và định chuẩn tính dư của kết cấu phần trên 67 2.2.1 Mức độ an toàn của kết cấu phần trên 68 2.2.2 Các trạng thái giới hạn 69 2.2.3 Chu kỳ vòng đời và mô hình tải trọng - chỉ số độ tin cậy 72 2.2.4 Phương pháp độ tin cậy 74 iv 2.2.5 Xác định chỉ số độ tin cậy mục tiêu 76 2.2.6 Quy trình kiểm tra tính dư trực tiếp 78 2.2.7 Quy trình từng bước xác định hệ số dư 81 2.2.8 Hệ số hệ thống (tính dư) 83 2.2.9 Hệ số hệ thống cho cầu điển hình thông dụng 85 2.2.10 Xếp hạng tải trọng cho cầu đang tồn tại 87 2.3 Kết luận chương 2 88 CHƯƠNG 3. ĐỀ XUẤT MÔ HÌNH TÍNH TOÁN TÍNH DƯ CỦA KẾT CẤU DỰA TRÊN PHÂN TÍCH PHI TUYẾN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN MỞ RỘNG 91 3.1 Mô hình kết cấu 91 3.1.1 Mô hình phá hoại uốn 96 3.1.2 Mô hình phá hoại cắt 101 3.2 Mô hình phân tử hữu hạn phân tích sự làm việc của dầm có xét đến “bước nhảy” chuyển vị do dầm bị phá hoại 103 3.2.1 Các hàm dạng và phương trình PTHH tổng quát 103 3.2.2 Xử lý phương trình cân bằng cục bộ 107 3.3 Đề xuất mô hình làm việc của mặt cắt dầm bê-tông cốt thép 110 3.4 Thí nghiệm kiểm chứng mô hình phân tích đề xuất 114 3.4.1 Cấu tạo của dầm thí nghiệm 114 3.4.2 Trình tự thí nghiệm 117 3.4.3 So sánh kết quả thí nghiệm với kết quả phân tích lý thuyết 117 3.5 Kết luận chương 3 119 CHƯƠNG 4. CÁC VÍ DỤ ÁP DỤNG MÔ HÌNH PHI TUYẾN VÀ QUY TRÌNH TRỰC TIẾP 121 4.1 Trụ 2 cột chịu lực đẩy ngang 121 4.1.1 Phân tích sự làm việc của trụ dưới tác dụng của lực đầy ngang theo mô hình phi tuyến 121 4.1.2 Xác định tính dư của kết cấu trụ 2 cột theo quy trình trực tiếp 125 4.2 Trụ 3 cột 126 4.2.1 Phân tích sự làm việc của trụ 3 cột chịu lực ngang 126 4.2.2 Xác định tính dư của kết cấu trụ 3 cột theo quy trình trực tiếp 128 4.3 Dầm liên tục 2 nhịp 129 4.3.1 Phân tích khả năng chịu lực thẳng đứng của dầm liên tục 2 nhịp 129 4.3.2 Xác định tính dư của kết cấu trụ 2 cột theo Quy trình trực tiếp 131 4.4 Kết luận chương 4 132 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 133 I. Kết luận về những đóng góp của luận án 133 Đối với kết cấu bên dưới 134 Đối với kết cấu phần trên 136 II. Định hướng tiếp tục nghiên cứu 137 DANH MỤC CÁC BÀI BÁO, ĐỀ TÀI CÔNG BỐ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN 140 PHỤ LỤC 150 v DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1. Cầu dàn BTCT thường (Cầu Sê Rê Pôk cũ- Đăk Lăk) 1 Hình 1.2. Cầu Roòn- Quốc lộ 1A - Quảng Bình (1985) 3 Hình 1.3. Cầu Pá Uôn - Sơn La (2010) 3 Hình 1.4. Cầu Thanh Trì- Hà Nội (2006) 4 Hình 1.5. Cầu Bãi Cháy- Quảng Ninh (2006) 4 Hình 1.6. Cầu Long Biên 5 Hình 1.7. Cầu Hàm Rồng 6 Hình 1.8. Trụ Cầu Thăng Long (Hà Nội) 7 Hình 1.9. Một số hình dạng điển hình của trụ cầu 8 Hình 2.1 Cầu Turnpike sụp đổ 19 Hình 2.2 Mô hình kết cấu uốn hai cột 31 Hình 2.3 Mặt cắt cột rời rạc 32 Hình 3.1. Mô hình phần tử dầm chịu tác dụng của ngoài lực 92 Hình 3.2 Chuyển vị của phần tử dầm khi xét đến “bước nhảy” của chuyển vị 94 Hình 3.3. Mô hình chịu uốn của dầm bê tông cốt thép 101 Hình 3.4. Mô hình quan hệ lực cắt – biến dạng cắt trượt 103 Hình 3.5. Phân lớp dầm và trạng thái ứng suất, biến dạng tại một điểm 111 Hình 3.6 . Vòng tròn Mohr ứng suất và biến dạng tại lớp đang xét 111 Hình 3.7. Trạng thái biến dạng của dầm 111 Hình 3.8. Biểu đồ phân bố ứng suất pháp và ứng suất tiếp trên dầm 113 Hình 3.9 Bố trí cốt thép trong dầm thí nghiệm 117 Hình 3.10 Sơ đồ gia tải dầm (uốn 4 điểm) 117 Hình 3.11 Kết quả nén dầm trong phòng thí nghiệm 118 Hình 3.12 Kết quả từ mô hình phân tích (phóng đại 1000 lần) 118 vi Hình 3.13 Đường cong lực - độ võng từ kết quả thí nghiệm và kết quả mô hình . 118 Hình 4.1. Trụ khung 2 cột 122 Hình 4.2. Quan hệ mô men – độ cong cho cột và dầm ngang 123 Hình 4.3. Quan hệ lực cắt – biến dạng cắt cho cột 123 Hình 4.4. Quan hệ lực ngang và chuyển vị ngang tại xà mũ 124 Hình 4.5. Chuyển vị của trụ cột dưới tác dụng tại thời điểm chuyển vị ngang bằng 160mm 124 Hình 4.6. Trụ khung 3 cột 126 Hình 4.7. Quan hệ lực - chuyển vị ngang của trụ khung 3 cột 127 Hình 4.8. Biến dạng của trụ ứng với chuyển vị ngang ở xà mũ bằng 160mm 128 Hình 4.9. Dầm liên tục 2 nhịp chịu tải trọng thẳng đứng 129 Hình 4.10. Cấu tạo mặt cắt ngang dầm 130 Hình 4.11. Quan hệ lực và độ võng tại giữa nhịp 2 khi tăng tải 131 Hình 4.12. Dầm ở trạng thái phá hoại trong TTGHCĐ 131 vii DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Các thông số trung bình của 4 loại kết cấu bên dưới 20 Bảng 2.2. Các thông số của kết cấu uốn hai cột 22 Bảng 2.3: Các thông số của kết cấu uốn bốn cột 22 Bảng 2.4. Độ cứng móng - kết cấu uốn hai cột 23 Bảng 2.5. Độ cứng móng - kết cấu uốn bốn cột 25 Bảng 2.6. Kết quả phân tích lực đẩy phi tuyến kết cấu uốn 2 cột 33 Bảng 2.7 Các biến số kết cấu của kết cấu uốn hai cột và bốn cột 34 Bảng 2.8. Các điều kiện địa chất và móng 35 Bảng 2.9 Dữ liệu đầu vào cho phân tích ví dụ cầu hai cột. 44 Bảng 2.10 Dữ liệu đầu vào cho phân tích ví dụ cầu bốn cột 46 Bảng 2.11 Khả năng tải trọng ngang đối với trụ bốn cột và hai cột. 48 Bảng 2.12 Giá trị của biến ngẫu nhiên đã sử dụng trong 48 Bảng 2.13. Kết quả của phân tích đối với kết cấu uốn hai cột 49 Bảng 2.14 Kết quả của phân tích đối với kết cấu uốn bốn cột 50 Bảng 2.15 Giá trị trung bình và COV của tải trọng áp dụng như là tác động của 2 xe tải thiết kế đặt cạnh nhau 74 Bảng 2.16 Tỉ lệ hệ số tải trọng yêu cầu đối với phương pháp 79 Bảng 3.1. Kết quả thí nghiệm cường độ bê tông 114 Bảng 3.2. Kết quả thí nghiệm cường độ thép 115 Bảng 4.1. Đặc trưng vật liệu sử dụng trụ 2 cột 122 Bảng 4.2. Đặc trưng vật liệu sử dụng trụ 3 cột 127 Bảng 4.3. Đặc trưng vật liệu sử dụng dầm liên tục 2 nhịp 130 viii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU AASHTO American Association of State Highway and Transportation Officials TTGH Trạng thái giới hạn PTHH Phần tử hữu hạn Φ s Hệ số hệ thống quan hệ với sự an toàn, tính dư và tính dẻo của hệ thống kết cấu Hệ số sức kháng thành phần R’ Khả năng sức kháng danh định yêu cầu của thành phần tính đến tính dư của hệ thống γ d Hệ số tải trọng tĩnh D n Tải trọng tĩnh danh định Hệ số tải trọng động xe cộ  w Hệ số tải trọng ngang  member Chỉ số độ tin cậy thành phần  sysem Chỉ số độ tin cậy hệ thống  ult  Chỉ số độ tin cậy của hệ thống kết cấu cho TTGH cuối cùng  funct Chỉ số độ tin cậy hệ thống cho TTGH hoạt động  damaged Độ tin cậy hệ thống cho điều kiện phá hoại r 1  Tỉ lệ bảo toàn thành phần R u  Tỉ lệ bảo toàn hệ thống cho TTGH cuối cùng R f  Tỉ lệ bảo toàn hệ thống cho TTGH hoạt động R d  Tỉ lệ bảo toàn hệ thống cho điều kiện phá hoại  Hệ số điều chỉnh tải trọng; hệ số liên quan đến tính dẻo, tính dư và tầm quan trọng trong khai thác  L  ix  D  Hệ số liên quan đến tính dẻo  R  Hệ số liên quan đến tính dư  I  Hệ số liên quan đến tầm quan trọng trong khai thác Q n  Tác động tổng cộng của trọng lực L n  Tổng của tác động của hoạt tải danh định LW  Giá trị trung bình của hệ số tải trọng ngang  Giá trị trung bình của tải trọng ngang lớn nhất W n  Giá trị thiết kế danh định của tải trọng tác dụng  Giá trị trung bình của hệ số tải trọng tương ứng với TTGH cuối cùng LF u  Sức kháng thành phần R  Độ lớn của tải trọng đứng tác dụng  Giá trị trung bình của hệ số tải trọng tương ứng với TTGH hoạt động r u  Tỉ lệ tính dư cho TTGH cuối cùng r f  Tỉ lệ tính dư cho TTGH hoạt động r d  Tỉ lệ tính dư cho TTGH phá hoại R final  Sức kháng cuối cùng R exist  Khả năng thành phần đang tồn tại P sd  TTGH về mặt sử dụng P cd  TTGH cường độ max W u LF f LF x MỞ ĐẦU Luận án này nghiên cứu và phát triển phương pháp để tính toán tính dư trong quá trình thiết kế và đánh giá độ an toàn của kết cấu cầu. Lý do để chọn đề tài Ngày nay, cùng với sự phát triển kinh tế - xã hội toàn cầu, số lượng công trình hạ tầng kỹ thuật đặc biệt là các công trình cầu đường bộ được xây dựng ngày càng tăng nhằm đáp ứng nhu cầu giao thông vận tải phục vụ phát triển kinh tế - xã hội của các nước trên thế giới và của Việt Nam. Ở nước ta, với hơn 3000km bờ biển cùng hệ thống sông ngòi chằng chịt tại đồng bằng Sông Hồng và đồng bằng Sông Cửu Long cùng với đa số các sông suối ở Miền Trung đều chảy dọc theo hướng Tây Bắc - Đông Nam đổ ra biển đã chia cắt mạng lưới đường bộ Bắc Nam cũng như hệ thống mạng lưới đường bộ liên tỉnh điều này dẫn đến nhu cầu xây dựng cầu vượt sông suối ở nước ta rất lớn, hàng năm có hàng chục cây cầu được xây dựng trên phạm vi toàn lãnh thổ Việt Nam. Phần lớn các cây cầu này có kết cấu phần dưới bằng bê tông cốt thép và kết cấu phần trên là dạng dầm bê-tông cốt thép hoặc bê tông cốt thép dự ứng lực nhịp giản đơn hoặc liên tục. Tuy nhiên, đi kèm với việc ngày càng có nhiều cầu được xây dựng mới thì việc đánh giá tính dư của các bộ phận kết cấu cầu là một chỉ tiêu quan trọng ảnh hưởng đến độ an toàn cũng như tính kinh tế khi xây dựng cầu. Hiện nay, tiêu chuẩn ngành về thiết kế cầu 22TCN-272-05 mới chỉ đề nghị áp dụng hệ số liên quan đến tính dư trong các TTGH chưa đưa ra được cơ sở khoa học cũng như phương pháp tính dư trong kết cấu cầu. Tính dư là khả năng của một hệ thống chịu sự phá hoại mà không sập đổ. Sập đổ theo định nghĩa của AASHTO-LRFD [9],[10] sự là thay đổi hình học lớn, làm cầu làm mất đi khả năng làm việc của nó. Tính dư được phân thành 3 loại chính theo các định nghĩa dưới đây: [...]... pháp tính dư trên thế giới và ở Việt Nam đồng thời chỉ ra những vấn đề còn tồn tại mà luận án tập trung giải quyết Trong chương 2, luận án sẽ tập trung phân tích chi tiết cơ sở đánh giá, định chuẩn tính dư của kết cấu cầu và đề xuất một quy trình tổng quan tính dư làm cơ sở cho việc đề xuất một mô hình tính toán tính dư của kết cấu cầu 18 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ PHÂN TÍCH, ĐÁNH GIÁ VÀ ĐỊNH CHUẨN TÍNH DƯ CỦA KẾT... án tóm lược các kết quả này cho kết cấu phần dư i và kết cấu phần trên 19 2.1 Đánh giá tính dư cho kết cấu phần dư i [48] 2.1.1 Xác định kết cấu bên dư i điển hình Theo khảo sát thì các hệ thống kết cấu bên dư i cầu định hình có thể được phân chia thành các loại sau đây: - Kết cấu uốn định hình: trụ tường, kết cấu uốn đơn cột, kết cấu uốn hai cột và kết cấu uốn nhiều cột - Các loại móng: móng bè, móng... số tính dư cho phù hợp với từng loại, bộ phân và dạng kết cấu công trình Từ tầm quan trọng của vấn đề, số lượng nghiên cứu hạn chế ở Việt Nam và tính cấp thiết của nội dung nghiên cứu, Nghiên cứu sinh chọn đề tài “Nghiên cứu đánh giá tính dư trong kết cấu cầu ở Việt Nam Mục đích nghiên cứu Mục đích nghiên cứu của đề tài luận án là đề xuất một quy trình đơn giản và trực tiếp để xác định tính dư của kết. .. quyết Dựa trên những phân tích trên về tình trạng nghiên cứu về tính dư và hệ số tính dư trên thế giới và ở tại Việt Nam, tác giả xác định các nội dung chính để tập trung giải quyết như sau: 1) Làm rõ khái niệm tính dư và hệ số tính dư sử dụng trong thiết kế cấu theo tiêu chuẩn 22-TCN-272-05 ở Việt Nam 2) Xây dựng quy trình trực tiếp giúp xác định hệ số tính dư của kết cấu 3) Trong quy trình trực tiếp... cục luận án Chương 1 Tổng quan về tính dư và xác định mục tiêu nghiên cứu Chương 2 Cơ sở phân tích và định chuẩn tính dư kết cấu Chương 3 Đề xuất mô hình tính toán tính dư của kết cấu dựa trên phân tích phi tuyến vật liệu và phương pháp PTHH mở rộng Chương 4 Các ví dụ tính toán bằng số và kết quả thí nghiệm kiểm chứng Kết luận và kiến nghị 1 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ TÍNH DƯ VÀ XÁC ĐỊNH MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU... nghiên cứu về tính dư cho kết cấu cầu trên thế giới và tại Việt Nam Từ đó xác định những điểm cần cải tiến trong quy trình và phương pháp đánh giá tính dư để có thể xác định được hệ số tính dư chính xác và đơn giản hơn Trên cơ sở đó, luận án đề xuất mô hình lý thuyết cho phép xác định chính xác hơn tính dư của kết cấu cầu Kết quả phân tích lý thuyết được kiểm chứng lại bằng một số kết quả thí nghiệm Ý nghĩa... đưa ra các dạng kết cấu điển hình trong công trình cầu để xác định tính dư, giúp thiết lập bảng tra về hệ số tính dư cho các kết cấu này để tiện áp dụng trong xiii thực tế Qua đó, phát triển một cơ sở hợp lý cho việc xem xét tính dư kết cấu nhịp và phần dư i trong thiết kế và đánh giá kết cấu cầu, và phát triển dữ liệu cần thiết để bổ sung vào tiêu chuẩn thiết kế cầu 22TCN-272-05 Bố cục của luận án... 2 CƠ SỞ PHÂN TÍCH, ĐÁNH GIÁ VÀ ĐỊNH CHUẨN TÍNH DƯ CỦA KẾT CẦU VÀ ĐỀ XUẤT QUY TRÌNH TỔNG QUAN XÁC ĐỊNH TÍNH DƯ Trong chương này, luận án tập trung làm rõ khái niệm về tính dư và tổng kết các nghiên cứu trên thế giới về phân tích, đánh giá và định chuẩn tính dư cho kết cấu cầu trên thế giới, đặc biệt là các nghiên cứu về tính dư cho kết cấu cầu ở Mỹ Theo các nghiên cứu [40], [42], [48], [49], [57], [53],... tính dư cho kết cấu, các tác giả tách riêng để nghiên cứu xác định tính dư cho kết cấu phần trên và kết cấu phần dư i Việc nghiên cứu được tách thành các bước như sau: - Bước thứ nhất là xác định các dạng kết cấu điển hình để xác định tính dư, tính toán tính dư cho từng dạng kết cấu chuẩn đã được xác định - Bước thứ hai là định nghĩa các TTGH liên quan đến hiện tượng mất khả năng làm việc của kết cấu. .. đề ra, luận án giải quyết 03 vấn đề chính: (1) Tổng quan về tình hình nghiên cứu tính dư, xác định mục tiêu nghiên cứu tính dư (2) Đánh giá và định chuẩn tính dư của kết cấu công trình cầu trên cơ sở lý thuyết độ tin cậy (3) Tính toán, đánh giá tính dư kết cấu trụ cầu Luận án được cấu thành các nội dung như sau: Phần mở đầu: Giới thiệu về các lý do chọn lựa đề tài, mục đích nghiên cứu, phương pháp