Nghiên cứu trạng thái ứng suất và biến dạng cầu máng bê tông cốt thép ứng suất trước bán lắp ghép

M ỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI Nghiên cứu trạng thái ứng suất và biến dạng của cầu máng bê tông cốt thép bán lắp ghép ứng suất trước, từ đó đưa ra phương án chọn chiều dài máng hợp lý ứng với mặt

LỜI CAM ĐOAN

Họ và tên học viên: Lê Đức Hạnh

Chuyên ngành: Xây dựng công trình thủy

Tên đề tài luận văn: “Nghiên cứu trạng thái ứng suất và biến dạng cầu máng bê tông c ốt thép ứng suất trước bán lắp ghép”

Tôi xin cam đoan đề tài luận văn của tôi hoàn toàn do tôi làm, những kết quả nghiên

cứu tính toán trung thực Trong quá trình làm luận văn tôi có tham khảo các tài liệu liên quan nhằm khẳng định thêm sự tin cậy và tính cấp thiết của đề tài Tôi không sao chép từ bất kỳ nguồn nào khác, nếu vi phạm tôi xin chịu trách nhiệm trước Khoa và Nhà trường

Hà N ội, ngày tháng năm 2017

Học viên

Lê Đức Hạnh

LỜI CẢM ƠN

Luận văn thạc sĩ:“ Nghiên cứu trạng thái ứng suất và biến dạng cầu máng bê tông

c ốt thép ứng suất trước bán lắp ghép” đã được tác giả hoàn thành đúng thời hạn quy

định và đảm bảo đầy đủ các yêu cầu trong đề cương được phê duyệt

Trong quá trình thực hiện, nhờ sự giúp đỡ tận tình của các Giáo sư, Tiến sĩ Trường Đại

Học Thuỷ Lợi, các công ty tư vấn và đồng nghiệp, tác giả đã hoàn thành luận văn này

Tác giả chân thành cảm ơn TS Phạm Hồng Cường và PGS.TS Vũ Hoàng Hưng đã tận tình hướng dẫn giúp đỡ để tác giả hoàn thành luận văn

Tác giả xin chân thành cảm ơn các thầy cô trường Đại học Thuỷ Lợi Hà Nội, các thầy

cô trong khoa Công trình đã tận tụy giảng dạy tác giả trong suốt quá trình học cao học

tại trường

Tuy đã có những cố gắng song do thời gian có hạn, trình độ bản thân còn hạn chế, luận văn này không thể tránh khỏi những tồn tại, tác giả mong nhận được những ý kiến đóng góp và trao đổi chân thành của các thầy cô giáo, các anh chị em và bạn bè đồng nghiệp Tác giả rất mong muốn những vấn đề còn tồn tại sẽ được tác giả phát triển ở

mức độ nghiên cứu sâu hơn góp phần ứng dụng những kiến thức khoa học vào phục vụ đời sống sản xuất

Xin chân thành cảm ơn!

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ vi

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CẦU MÁNG 3

1.1 Khái quát về cầu máng 3

1.1.1 Khái niệm cầu máng và các bộ phận cầu máng 3

1.1.2 Hình thức cầu máng thường dùng hiện nay 8

1.1.3 Các tải trọng tác dụng lên cầu máng 11

1.2 Tính toán ứng suất và chuyển vị cầu máng BTCT 12

1.2.1 Phương pháp truyền thống tính toán cầu máng 12

1.2.2 Tính toán cầu máng theo bài toán không gian 15

1.3 Những vấn đề đặt ra và hướng nghiên cứu 16

1.3.1 Nghiên cứu ứng dụng cầu máng BTCT-ƯST trên thế giới 16

1.3.2 Ứng dụng cầu máng BTCT tại Việt Nam 17

1.3.3 Hướng nghiên cứu 21

1.4 Kết luận Chương 1 21

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN CẦU MÁNG BTCT ỨNG SUẤT TRƯỚC BÁN LẮP GHÉP 23

2.1 Cấu kiện bê tông cốt thép bán lắp ghép chịu uốn 23

2.1.1 Khái quát về kết cấu bê tông cốt thép bán lắp ghép 23

2.1.2 Đặc điểm chịu lực 24

2.1.3 Phân tích khả năng chịu lực 25

2.2 Cấu kiện bê tông cốt thép ứng suất trước 27

2.2.1 Khái quát về kết cấu bê tông cốt thép ứng suất trước 27

2.2.2 Phương pháp tạo ứng suất trước 28

2.2.3 Các tổn thất ứng suất trước 30

2.2.4 Lực căng trước giới hạn 34

2.3 Phân tích khả năng chịu lực 35

2.3.1 Sự làm việc của cầu máng 35

2.3.2 Tính toán cường độ trên mặt cắt vuông góc 35

2.3.3 Tính toán cường độ trên mặt cắt nghiêng 36

2.3.4 Tính toán độ võng 37

2.3.5 Trường hợp tính toán cụ thể 41

2.4 Phần mềm SAP2000 48

2.4.1 Khái quát về phần mềm SAP2000 48

2.4.2 Các bước tính toán kết cấu bằng SAP2000 49

2.5 Tính toán kết cấu bê tông cốt thép ứng suất trước bán lắp ghép bằng SAP2000 49 2.5.1 Xử lí vấn đề ứng suất trước trong SAP2000 49

2.5.2 Các phương pháp thực hiện 50

2.5.2 Xử lí vấn đề bán lắp ghép trong SAP2000 59

2.6 Kết luận Chương 2 60

CHƯƠNG 3: TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG CẦU MÁNG BÊ TÔNG CỐT THÉP ỨNG SUẤT TRƯỚC BÁN LẮP GHÉP QUA SÔNG KỲ CÙNG - LẠNG SƠN 61

3.1 Giới thiệu công trình 61

3.2 Nghiên cứu các phương án thiết kế cầu máng 61

3.2.1 Phương án cầu máng BTCT thường 61

3.2.2 Phương án ống thép liên tục 62

3.2.3 Phương án ống thép được đỡ bằng giàn thép 62

3.2.4 Nghiên cứu đề xuất phương án 63

3.3 Tính toán kết cấu cầu máng BTCT ứng suất trước bán lắp ghép 64

3.3.1 Số liệu tính toán 67

3.3.2 Trường hợp tính toán 67

3.4 Phân tích kết cấu cầu máng theo bài toán không gian bằng SAP2000 67

3.4.1 Trình tự thi công cầu máng BTCT Ứng suất trước bán lắp ghép 67

3.4.2 Mô hình tính toán cầu máng bê tông cốt thép ứng suất trước ứng từ các giai đoạn thi công và giai đoạn khai thác 68

3.4.3 Phân tích ứng suất và chuyển vị trong từng giai đoạn: 71

3.4.4 Kiểm tra điều kiện sử dụng cầu máng ứng suất trước 79

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 86

TÀI LIỆU THAM KHẢO 88

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1-1 Sơ đồ mặt cắt dọc cầu máng 3

Hình 1-2 Cửa vào, cửa ra của cầu máng 4

Hình 1-3 Mặt cắt ngang thân máng 4

Hình 1-4 Kết cấu thân máng hình thang và chữ U có giằng ngang 5

Hình 1-5 Sơ đồ bố trí giá đỡ kiểu công xôn kép 5

Hình 1-6 Một cầu máng kiểu dầm công xôn kép 6

Hình 1-7 Giá đỡ cầu máng kiểu vòm (a) và kiểm vòm treo(b) 6

Hình 1-8 Một vài cầu máng dạng vòm 7

Hình 1-9 Kết cấu gối đỡ 7

Hình 1-10 Các kiểu trụ đỡ 8

Hình 1-11 Mặt cắt ngang máng chữ nhật 9

Hình 1-12 Mặt cắt ngang máng chữ U không thanh giằng và có thanh giằng 10

Hình 1-13 Máng chữ nhật và chữ U có thanh giằng 10

Hình 1-14 Sơ đồ phân phối lực cắt không cân bằng 13

Hình 1-15 Sơ đồ tính toán máng hình thang 14

Hình 1-16 Sơ đồ tính toán máng chữ U 15

Hình 1-17 Cầu máng BTCT Phước Hòa (nguồn internet) 19

Hình 1-18 Cầu máng BTCT Căm Xe (nguồn internet) 19

Hình 1-19 Cầu máng BTCT sông Cầu Chày (nguồn internet) 20

Hình 1-20 Cầu máng BTCT sông Âm (nguồn internet) 20

Hình 2-1 Dầm lắp ghép 24

Hình 2-2 So sánh tính năng dầm lắp ghép và dầm đổ toàn khối 24

Hình 2-3 Biểu đồ ứng suất và biến dạng của dầm lắp ghép dưới trạng thái giới hạn 26

Hình 2-4 Tác dụng của lực căng trước 28

Hình 2-5 Phương pháp căng trước (căng trên bệ) 29

Hình 2-6 Phương pháp căng sau (căng trên bê tông) 30

Hình 2-7 Biến đổi mặt cắt thực tế của cầu máng về mặt cắt tính toán 35

Hình 2-8 Sơ đồ tính tiết diện chữ T, cánh nằm trong vùng nén, trục trung hòa qua sườn 35

Hình 2-9 Sơ đồ tính toán nội lực trên tiết diện nghiêng 37

Hình 2-10 Mặt cắt thân máng cầu máng thành mỏng ứng suất trước (mm) 41

Hình 2-11 Sơ đồ tính toán dầm bê tông ƯST 50

Hình 2-12 Sơ đồ mạng lưới phần tử Shell và cáp ƯST 51

Hình 2-13 Nhập tọa độ các điểm đầu và giữa của cáp thẳng 52

Hình 2-14 Sơ đồ tải trọng phân bố DL và cáp ƯST 52

Hình 2-15 Biểu đồ ứng suất S11 của dầm ứng với TH1 53

Hình 2-16 Sơ đồ chuyển vị của dầm ứng với tổ hợp TH1 53

Hình 2-17 Nội lực tại mặt cắt giữa nhịp dầm 53

Hình 2-17 Dầm được mô hình hóa bằng phần tử Shell 53

Hình 2-18 Phổ mầu ứng suất do tổ hợp tải trọng TH1 54

Hình 2-19 Phổ mầu chuyển vị U3 do tổ hợp tải trọng TH1 54

Hình 2-20 Mạng lưới phần tử Solid của dầm và cáp ƯST 55

Hình 2-21 Nhập tọa độ các điểm đầu và cuối của cáp thẳng 56

Hình 2-22 Sơ đồ tải trọng phân bố DL, LL và cáp ƯST 56

Hình 2-23 Biểu đồ ứng suất S11 của dầm ứng với TH1 57

Hình 2-24 Sơ đồ chuyển vị của dầm ứng với tổ hợp tải trọng TH1 57

Hình 2-25 Nội lực tại mặt cắt giữa dầm 57

Hình 2-26 Dầm được mô hình hóa bằng phần tử Solid 57

Hình 2-27 Biểu đồ ứng suất S11 của dầm ứng với TH1 58

Hình 2-28 Sơ đồ chuyển vị của dầm ứng với tổ hợp tải trọng TH1 58

Hình 2-29 Nội lực tại mặt cắt giữa dầm 58

Hình 3-1 Cầu máng BTCT nhịp đơn dài 18m 61

Hình 3-2 Cầu máng kiểu giàn liên tục 3 nhịp 62

Hình 3-4 Mặt bằng cánh hạ giàn và ống dẫn nước 63

Hình 3-5 Giàn đỡ ống thép 63

Hình 3-6 Cầu máng BTCT ứng suất trước bán lắp ghép kết hợp trụ cầu giao thông 64

Hình 3-7 Mặt cắt ngang cầu và máng hình chữ nhật 65

Hình 3-8 Mặt cắt ngang cầu và máng hình chữ U 65

Hình 3-9 Kết cấu cầu và máng hình chữ nhật 66

Hình 3-10 Kết cấu cầu và máng hình chữ U 66

Hình 3-11 Kích thước mặt cắt ngang cầu 67

Hình 3-12 Dầm dọc tiết diện chữ T 69

Hình 3-13 Mạng lưới phần tử khối 69

Hình 3-14 Mạng lưới phần tử khối của cầu máng 70

Hình 3-15 Sơ đồ áp lực nước và người đi tác dụng lên cầu máng 70

Hình 3-16 Phổ mầu ứng suất S22(DEAD) của dấm dọc 71

Hình 1-17 Phổ mầu ứng suất S22(LNT*) của dấm dọc 71

Hình 3-18 Chuyển vị tại giữa nhịp dầm do DEAD 72

Hình 3-19 Chuyển vị tại giữa nhịp dầm do LNT* 72

Hình 3-20 Mặt cắt ngang cầu tại vị trí dầm ngang 72

Hình 3-21 Phổ mầu ứng suất S22(DEAD) của dấm dọc 73

Hình 3-22 Phổ mầu ứng suất S22(LNT*) của dấm dọc 73

Hình 3-23 Chuyển vị tại giữa nhịp dầm do DEAD 73

Hình 3-24 Chuyển vị tại giữa nhịp dầm do LNT^ 73

Hình 3-25 So đồ tải trọng M+ALN 74

Hình 3-26 So đồ tải trọng người đi ND 74

Hình 3-27 Sơ đồ áp lực gió phía gió đẩy W1 75

Hình 3-28 Phổ mầu ứng suất S22 do TH2 77

Hình 3-29 Phổ mầu ứng suất S22 do LNT* 77

Hình 3-30 Phổ mầu ứng suất S22 do TH2A 78

Hình 3-31 Chuyển vị tại giữa nhịp dầm dọc do TH2A 79

Hình 3-32 Phổ mầu ứng suất S22(TH2) của cầu 80

Hình 3-33 Phổ mầu ứng suất S22(TH2) của cầu và máng tại mặt cắt giữa nhịp 80

Hình 3-34 Phổ mầu ứng suất S22(TH2) của máng 80

Hình 3-35 Chuyển vị U3(TH2) ở đáy dầm và đáy máng tại mặt cắt giữa nhịp 81

DANH M ỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 2-1 Biến dạng của thiết bị neo ∆ L(mm) 31

Bảng 2-2 Các hệ số ma sát k và µ 32

Bảng 2-3 Tổn thất ứng suất trước do co ngót và từ biến của bêtông (σh4 + σh5) (daN/cm2) 33

Bảng 2-4 Tổ hợp tổn thất ứng suất trước trong các giai đoạn 34

Bảng 2-5 Tính toán xác định trọng tâm tiết diện 44

Bảng 2-6 Tính toán xác định mô men quán tính tiết diện (mm4) 44

Bảng 2-7 Chuyển vị và ứng suất S11 tại mặt cắt giữa dầm 58

Bảng 2-8 Nội lực tại mặt cắt giữa dầm 58

Bảng 3-1 Trọng lượng bản thân của hai dầm dọc 71

Bảng 3.2 Trọng lượng bản thân của cầu đỡ máng 73

Bảng 3.3 Trọng lượng máng và trọng lượng nước 75

Bảng 3-4 Tải trọng người đi 76

Bảng 3-5 Tải trọng gió 76

Bảng 3-6 Chuyển vị tại giữa dầm do TH2, TH2A và TH3A 79

Bảng 3-7 Chuyển vị tại giũa nhịp máng do LNT*, TH2 và TH2C 83

MỞ ĐẦU

1.1 TÍNH C ẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Cầu máng là công trình thường gặp trong công trình thủy lợi, dùng để dẫn nước khi vượt qua các sông, suối Khi cần vượt qua các nhịp quá lớn cầu máng bê tông cốt thép thường không đáp ứng được, thì cần dùng giải pháp cầu máng bê tông cốt thép ứng

suất trước Tại những địa hình khó thi công tại chỗ, một trong các giải pháp hữu hiệu

là dùng cầu máng bê tông cốt thép suất trước bán lắp ghép

Một trong những ưu điểm của kết cấu cầu máng bê tông cốt thép ứng suất trước bán

lắp ghép là do được chia nhỏ thành 3 bộ phận nên giảm nhỏ trọng lượng cấu kiện cẩu

lắp Cấu kiện chịu lực chủ yếu nhất là dầm cầu bằng bê tông cốt thép ứng suất trước

Bản mặt cầu thi công tại chỗ Máng dẫn nước hình chữ nhật hay chữ U thi công tại chỗ hay chế tạo ở xưởng và lắp ghép tại hiện trường Kết cấu máng có thể cắt thành từng đoạn hay có chiều dài bằng chiều dài cầu đỡ máng

Do đây là một loại hình kết cấu mới được tác giả nghiên cứu đề xuất và chưa từng được ứng dụng ở Việt Nam, vì vậy việc nghiên cứu trạng thái ứng suất và chuyển vị

của cầu máng từ giai đoạn thi công đến giai đoạn khai thác là việc làm cần thiết khi tính toán thiết kế loại hình kết cấu mới này

1.2 M ỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI

Nghiên cứu trạng thái ứng suất và biến dạng của cầu máng bê tông cốt thép bán lắp ghép ứng suất trước, từ đó đưa ra phương án chọn chiều dài máng hợp lý ứng với mặt

cắt ngang đã chọn trước

1.3 CÁCH TI ẾP CẬN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Nghiên cứu lý thuyết tính toán dầm bê tông cốt thép ứng suất trước và sử dụng chức năng tính toán dầm bê tông cốt thép ứng suất trong phần mềm SAP2000 để xác định

trạng thái ứng suất và biến dạng của các bộ phận cầu máng bê tông cốt thép lắp ghép

và áp dụng vào tính toán công trình cụ thể có xét tới điều kiện thi công

1.4 K ẾT QUẢ DỰ KIẾN ĐẠT ĐƯỢC:

- Xây dựng được mô hình tính toán kết cấu cầu máng bê tông cốt thép nhịp lớn có xét

tới điệu kiện và thiết bị thi công, với giải pháp là dùng kết cấu cầu máng bê tông cốt thép bán lắp ghép

- Áp dụng tính toán cho một công trính cụ thể

C HƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CẦU MÁNG

1.1 Khái quát v ề cầu máng [1]

1.1.1 Khái niệm cầu máng và các bộ phận cầu máng

Cầu máng là kết cấu thường gặp trong công trình thủy lợi Trong những trường hợp kênh dẫn phải vượt qua thung lũng, sông suối có thể dùng cầu máng để đảm bảo việc

dẫn nước trong kênh Với cầu máng bê tông cốt thép thông thường nhịp cầu máng dạng dầm đơn chỉ vào khoảng từ 15m đến 20m Để giảm được số lượng các gối đỡ, đặc biệt có hiệu quả khi cầu máng cần vượt qua các khe sâu không bố trí được các mố giữa, điều kiện thi công khó khăn đổ bê tông tại chổ các hạng mục cầu máng Cần thiết

kế cầu máng bê tông cốt thép ứng suất trước nhịp lớn bán lắp ghép

Cầu máng có các bộ phận chính: cửa vào, cửa ra, thân máng và gối đỡ (xem hình 1-1)

Hình 1-1 Sơ đồ mặt cắt dọc cầu máng 1.C ửa vào; 2.Mố bên; 3.Thân máng; 4.Gối đỡ; 5.Khe co giãn; 6 Cửa ra; 7.Kênh 1.1.1.1 Kết cấu cửa vào, cửa ra

Cửa vào và cửa ra của cầu máng là đoạn nối tiếp thân máng với kênh dẫn nước thượng, hạ lưu, có tác dụng làm cho dòng chảy vào máng thuận, giảm bớt tổn thất do thu hẹp gây ra và dòng nước ra không làm xói lở bờ và đáy kênh

Tường cánh của cửa vào và cửa ra thường làm theo hai kiểu: kiểu lượn cong và kiểu

mở rộng hoặc thu hẹp dần Cửa lượn cong nước chảy vào, chảy ra thuận, nhưng khi thi công khó khăn hơn Góc mở rộng của tường cánh có ảnh hưởng đến dòng chảy vào và

ra khỏi máng Thường lấy tỷ số giữa chiều rộng và chiều dài là 1 1

4÷3 Sơ bộ chiều dài đoạn cửa vào, cửa ra lấy bằng 4 lần cột nước trong kênh Sân phòng thấm thường làm

bằng đất sét, ở trên có lát đá để phòng xói cũng có khi ở dưới nền cửa vào, cửa ra làm chân khay hoặc đóng ván cừ

có thể là gỗ, gạch đá xây, bê tông cốt thép hoặc xi măng lưới thép Tiết diện máng phải

đủ chuyển nước, độ nhám nhỏ tránh tổn thất đầu nước, vật liệu thân máng phải bền và

là tai mỏng), tại hai đầu mỗi nhịp mỏng nờn bố trớ sườn ngang (hỡnh 1-4) Với cầu mỏng cú mặt cắt ngang nhỏ, để dễ dàng cho việc thi cụng cú thể khụng bố trớ cỏc thanh

giằng ngang, song nếu cần cú thể tăng thờm chiều dày thành mỏng

Giằng ngang

Sườn dọc Sườn ngang

Sườn dọc

Giằng ngang

Hỡnh 1-4 K ết cấu thõn mỏng hỡnh thang và chữ U cú giằng ngang

Khi cú nhu cầu đi lại trờn mặt mỏng, cú thể bố trớ đường cho người đi, trường hợp này cỏc cấu kiện cầu mỏng cần được kiểm tra thờm với tải trọng 250daN/m2 Với cầu mỏng

lớn qua sụng suối cú thể kết hợp làm cầu giao thụng trờn đỉnh

1.1.1.3 Kết cấu gối đỡ

Cầu mỏng dựa vào giỏ đỡ theo nhiều hỡnh thức, tuỳ theo tỡnh hỡnh cụ thể mà lựa chọn

Cú thể chỉ kờ hai đầu vào bờ theo hỡnh thức gối tự do

Nếu cầu mỏng dài cú thể đặt trờn giỏ

đỡ theo hỡnh thức dầm liờn tục hoặc

dầm cụng xụn kộp Loại cú dầm cụng

xụn kộp (hỡnh 1-5) khi chọn chiều dài

của nhịp l và chiều dài của mỳt thừa a

theo quan hệ l = 2,7a thỡ giỏ trị mụmen

õm và dương lớn nhất xảy ra trong dầm

sẽ bằng nhau, tiện cho bố trớ cốt thộp

Hỡnh 1- 5 Sơ đồ bố trớ giỏ đỡ kiểu cụng

xụn kộp

Hình 1-6 M ột cầu máng kiểu dầm công xôn kép

Máng có thể đặt trực tiếp trên giá đỡ (hình 7a) hoặc trên hệ thống dầm dọc (hình 7b)

1-Trường hợp cầu máng vượt qua lòng sông sâu và không rộng, nước chảy lại khá xiết,

nếu hai bờ tốt, vẫn có thể dùng hình thức dầm liên tục và các giá đỡ tựa trên một vòng vòm (hình 1-7a) Trường hợp địa chất hai bên bờ yếu, dùng hình thức vòm treo (hình 1-7b) để giảm lực truyền cho hai bờ Lúc đó thành máng chịu kéo theo phương đứng

Hình 1-7 Giá đỡ cầu máng kiểu vòm (a) và kiểm vòm treo(b)

Gối đỡ thân máng gồm có gối đỡ ở bên (mố bên) và gối đỡ ở giữa (trụ giữa) Mố bên thường dùng kiểu trọng lực (hình 1-9), còn trụ giữa khi chiều cao trụ không lớn cũng hay dùng kiểu trọng lực, khi chiều cao của trụ lớn thường dùng kiểu khung hoặc kiểu

hỗn hợp

Hình 1-8 M ột vài cầu máng dạng vòm

Hình 1-9 K ết cấu gối đỡ

1 Mố biên kiểu trọng lực; 2 Cửa vào; 3 Thân máng; 4 Phần đất đắp;

5 Thiết bị thoát nước; 6 Mặt đất tự nhiên; 7 Trụ giữa

Trụ giữa kiểu trọng lực có thể bằng gạch xây, bằng đá xây hoặc bê tông, thường dùng

có các trụ có chiều cao dưới 10m, trọng lượng bản thân của trụ kiểu trọng lực thường

rất lớn, do đó đòi hỏi nền phải có sức chịu tải cao (hình 1-10a) Trụ đỡ kiểu khung có hai loại: khung đơn và khung kép, khung đơn thường dùng cho các trụ cao dưới 15m (hình 1-10b), còn trụ kép thường dùng khi các trụ có chiều cao từ 15 đến 20m (hình 1-10c) Móng của mố và trụ có thể đặt trực tiếp lên nền tự nhiên, khi nền yếu có thể đặt trên nền cọc

Hình 1-10 Các ki ểu trụ đỡ

a Trụ kiểu trọng lực; b Trụ kiểu khung đơn; c Trụ kiểu khung kép

1.1.2 Hình thức cầu máng thường dùng hiện nay [1]

1.1.2.1 Thân máng có mặt cắt hình chữ nhật

a) Máng chữ nhật không có thanh giằng ngang (hình 1-11a)

Thành bên của loại cầu máng này dưới tác dụng của áp lực nước sẽ chịu lực như một

bản công xôn Khi thành máng cao thì mômen uốn ở đáy vách máng sẽ lớn, do đó lượng thép dùng trong thân máng sẽ lớn Nhưng loại máng này có kết cấu đơn giản, dễ thi công, nên vẫn được dùng trong các cầu máng loại nhỏ

b) Máng chữ nhật có thanh giằng ngang (hình 1-11b)

Đối với cầu máng loại vừa và lớn cần bố trí thêm các thanh giằng ngang trên đỉnh máng để tăng khả năng chịu lực theo phương ngang của máng, khoảng cách giữa các thanh giằng ngang từ 1~3m Sự có mặt của các thanh giằng ngang cải thiện được điều

kiện chịu lực của thành bên và đáy máng theo phương ngang, do đó có thể giảm bớt được lượng cốt thép

Hình 1-11 M ặt cắt ngang máng chữ nhật

a Không thanh giằng; b Có thanh giằng;

c) Kích thước mặt cắt ngang của cầu máng chữ nhật

Chọn sơ bộ như sau:

- Chiều cao thành máng:

bằng các các thanh giằng ngang theo phương dọc Do đó máng chữ U cũng được phân thành hai loại: loại không có thanh giằng ngang (hình 1-12a) và loại có thanh giằng ngang (hình 1-12b)

Chọn sơ bộ kích thước mặt cắt ngang thân máng hình chữ U theo các số liệu sau đây:

- Chiều cao đoạn thẳng đứng của thành máng f=(0,1~0,3)Do (1-3)

- Kích thước tai máng thường chọn như sau:

b=(0,4~0,5)a, (1-5)

- Kích thước mặt cắt của thanh giằng có chiều cao hg= 10~20cm, bề rộng bg

-=8~15cm, khoảng cách giữa các thanh giằng Lg=1~3m

- Mặt cắt của các sườn ngang (đai) có chiều cao hs=(4~5)t, bề rộng bs=8~15cm

Hình 1-12 M ặt cắt ngang máng chữ U không thanh giằng và có thanh giằng

Sườn ngang tại vị trí gối tựa có kích thước lớn hơn sườn ngang ở trong nhịp, đường

viền ngoài thường có dạng đường gấp khúc tạo thành kết cấu gối tựa cho thân máng

Để thỏa mãn điều kiện chống nứt theo phương ngang, đoạn đáy máng thường làm dày hơn, kích thước phần này có thể lấy như sau:

1.1.3 Các tải trọng tác dụng lên cầu máng [1]

Tải trọng tác dụng lên cầu máng gồm có:

- Trọng lượng bản thân cầu máng

- Áp lực nước ứng với mực nước thiết kế và mực nước kiểm tra

- Tải trọng người qua lại trên cầu lấy bằng 250daN/m2 (nếu có)

- Áp lực gió ở độ cao z (m) so với mốc chuẩn xác định theo công thức:

W = Wo*k*c (daN/cm2) (1-9)

trong đó:

Wo- áp lực gió cơ bản theo bản đồ phân vùng áp lực gió (TCVN 2737-1995);

k - hệ số xét tới áp lực gió thay đổi theo chiều cao;

c - hệ số khí động

- Lực ma sát ở gối đỡ: Lực ma sát xuất hiện theo phương dọc máng tác dụng lên trụ khi thân máng bị giãn nở hay co ngót do nhiệt độ thay đổi, được tính theo công thức:

T=Gf (kN) (1-10)

trong đó: G - lực thẳng đứng tác dụng lên gối đỡ;

f - hệ số ma sát giữa thân máng và gối đỡ, lấy bằng 0,3

- Áp lực thủy động tác dụng lên một đơn vị diện tích trụ được tính theo công thức 11), điểm đặt của họp lực áp lực thủy động này giả thiết nằm ở 2/3 chiều sâu của mực nước thiết kế:

trong đó: v - vận tôc dòng chảy tính toán (m/s);

γ - trọng lượng riêng của nước;

g - gia tốc trọng trường (g=9,81m/s2 );

k1 - hệ số phụ thuộc vào hình dạng của trụ, với hình trụ vuông có k1=l,5; trụ hình chữ

nhật có cạnh dài theo phương dòng chảy có k1=l,3; Trụ hình tròn có k1=0,8; Trụ hình lưu tuyến có k1=0,6

- Các tải trọng khác như động đất, tải trọng cẩu lắp, lực va chạm của vật nổi, các lực này thì tùy từng trường hợp cụ thể mà xem xét

1.2 Tính toán ứng suất và chuyển vị cầu máng BTCT [1]

1.2.1 Phương pháp truyền thống tính toán cầu máng

Đối với cầu máng nhỏ có bề rộng thân máng dưới 1,2 m, hoặc khi thiết kế sơ bộ có thể dùng phương pháp “Lý thuyết dầm” để phân tích nội lực thân máng Nội dung của phương pháp này là thay bài toán tính không gian bằng hai bài toán phẳng riêng biệt theo phương dọc và theo phương ngang máng Theo lý thuyết tính toán này thì theo phương dọc thân máng được tính như bài toán dầm, theo phương ngang thân máng được tính như một hệ phẳng (khung phẳng) có bề rộng bằng một đơn vị được cắt ra từ thân máng, chịu tất cả các tải trọng tác dụng lên đoạn máng đó và được cân bằng nhờ các lực tương hỗ của các phần máng ở hai bên

1.2.1.1 Tính toán thân máng theo phương dọc

Tùy theo vị trí các khớp nối và mố đỡ cầu máng, sơ đồ tính toán thân máng theo phương dọc có thể là một dầm đơn, dầm liên tục, dầm một nhịp có một hoặc hai mút

thừa

Kết cấu cầu máng nhịp đơn được sử dụng rộng rãi do có ưu điểm dễ thi công và lắp ghép, cấu tạo mối nối chống rò rỉ nước giữa hai đoạn máng cũng dễ dàng vì khớp nối được bố trí ngay ở vị trí gối tựa Nhược điểm của kết cấu cầu máng nhịp đơn là ở vị trí

giữa nhịp có momen uốn lớn, đáy máng sinh ứng suất kéo, bất lợi về mặt chống nứt và

chống thấm Để khắc phụ nhược điểm này với cầu máng có khẩu độ lớn có thể dùng

cầu máng xi măng lưới thép ứng suất trước

Theo phương dọc máng, cầu máng nhịp đơn có momen uốn lớn nhất (Mmax) tại giữa

nhịp và lực cắt lớn nhất (Qmax) tại đầu dầm, xác định theo công thức (1-12) và (1-13):

2 max

qLM

8

max

qLQ

2

trong đó: q - trọng lượng bản thân máng và trọng lượng nước trong máng;

L - nhịp tính toán của cầu máng

1.2.1.2 Tính toán thân máng theo phương ngang

a) Nội lực theo phương ngang máng được tính như một hệ phẳng có bề rộng bằng đơn

vị khi không có thanh giằng (xem hình 1-14), khi có thanh giằng lấy bằng khoảng cách

giữa hai thang giằng, được tách ra từ thân máng chịu tất cả các tải trọng tác dụng lên

nó gồm có trọng lượng bản thân, áp lực nước, trọng lượng bản thân đường người đi,

trọng lượng người qua lại v.v.… Các lực này có chiều hướng xuống dưới và được cân

bằng với các lực tương hỗ của hai phần máng hai bên gọi là “lực cắt không cân bằng”

Hình 1-14 Sơ đồ phân phối lực cắt không cân bằng

b) Lực cắt không cân bằng là hiệu của hai lực cắt Q1 và Q2 ở hai mặt bên của phần được tách ra và được phân bố theo chiều cao của mặt cắt ngang theo quy luật ứng suất

tiếp trong dầm Hợp lực của các ứng tuất tiếp này có chiều ngược với chiều của tổng các lực tác dụng lên phần cấu kiện được tách ra Trong sơ đồ hình 1-14 thì A1, A2 và A3 lần lượt là lực cắt không cần bằng phân phối lên tai, thành và đáy máng

c) Các thanh giằng có cấu tạo chủ yếu để chịu lực dọc Nội lực trong khung có thể tìm được bằng phương pháp lực Nếu bỏ qua momen uốn và lực cắt trong thanh giằng thì khung ngang là kết cấu có một bậc siêu tĩnh

d) Sơ đồ tính toán nội lực trong máng theo phương ngang của máng hình thang cho ở hình 1-15 và máng chữ U ở hình 1-16 Lực tác dụng lên thân máng gồm có:

g - trọng lượng bản thân của máng;

e) Với máng hình thang và hình chữ nhật, vì lực cắt không cân bằng phân phối cho bản đáy và tai máng quá nhỏ so với vách bên nên có thể xem tổng lực cắt bằng không cân

bằng ∑P phân bố đều lên vách máng Với máng có mặt cắt chữ U tổng lực cắt không cân bằng phân bố đều lên toàn thân máng và có phương tiếp tuyến với đường trung bình của chiều dày vỏ máng

Hình 1-15 Sơ đồ tính toán máng hình thang

f) Với máng có mặt cắt ngang hình chữ U, sơ đồ tính toán nội lực theo phương ngang máng được biểu diễn ở hình 1-16, các ký hiệu trong hình vẽ có ý nghĩa tương tự như ở máng mặt cắt hình thang

g) Lực dọc X1 trong thanh giằng được xác định theo công thức (1-14):

1P 1

1.2.2 Tính toán cầu máng theo bài toán không gian

Khi phân tích nội lực và biến dạng cầu máng theo hệ phẳng không phản ánh được tác

dụng qua lại giữa các bộ phận với nhau, nên kết quả tính toán không phản ánh đúng

trạng thái làm việc thực của cầu máng Mặt khác khi phân tích cầu máng theo bài toán

phẳng không xét được tác dụng đồng thời của nhiều loại tải trọng một lúc, đặc biệt đối

với cầu máng sử dụng bê tông ứng suất trước Phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH)

là phương pháp tìm dạng gần đúng của hàm chưa biết trong miền xác định của nó bằng cách thay miền tính toán bằng các miền con gọi là phần tử và biểu diễn miền rời rạc bằng những hàm xấp xỉ Các phần tử này xem như chỉ được nối với nhau ở một số điểm nút được chọn trên mặt hoặc trên cạnh biên của phần tử gọi là nút Thông thường

hàm xấp xỉ được biểu diễn qua các giá trị của hàm tại các nút này và thường được

chọn dưới dạng hàm đa thức nguyên Dạng của hàm đa thức này phải chọn sao cho thoả mãn điều kiện hội tụ của bài toán, đó là "Hàm xấp xỉ phải phản ánh được trạng thái chuyển động của phần tử khi coi là vật rắn tuyệt đối", để sao cho khi tăng số phần

tử lên khá lớn thì kết quả tính toán phải tiến đến kết quả thực Hiện nay các phần mềm thông dụng như SAP2000, ANSYS,… đều dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn để phân tích trạng thái làm việc thực tế của công trình mang lại hiệu quả rõ rệt so với các phương pháp tính toán truyền thống Với cầu máng có kết cấu phức tạp và chịu nhiều

tải trọng đặc biệt, việc mô phỏng kết cấu theo bài toán không gian là cần thiết để phản ánh đúng trạng thái làm việc thực của cầu máng

1.3 Những vấn đề đặt ra và hướng nghiên cứu

1.3.1 Nghiên cứu ứng dụng cầu máng BTCT-ƯST trên thế giới

Đối với cầu máng BTCT-ƯST được sử dụng tương đối rộng rãi trên thế giới đặc biệt

là Trung Quốc Các cầu máng BTCT-ƯST ở Trung Quốc chủ yếu có mặt cắt chữ U

hoặc mặt cắt chữ nhật Đối với cầu máng mặt cắt chữ U, cáp ƯST được kéo cả theo phương ngang và phương dọc máng; đối với máng mặt cắt chữ nhật, cáp ƯST được kéo theo phương ngang và phương dọc máng cả ở đáy và ở thành

Các nghiên cứu về cầu máng BTCT-ƯST ở nước ngoài đa phần từ Trung Quốc, nơi ứng dụng cầu máng BTCT-ƯST tương đối nhiều trong các dự án chuyển nước giữa các lưu vực sông Các nghiên cứu điển hình có:

Zhao Yu (1999), Phân tích phần tử hữu hạn ba chiều kết cấu cầu máng mặt cắt hình

hộp sử dụng bê tông ứng suất trước trong công trình chuyển nước từ Nam ra Bắc Kết

quả từ phần mềm phân tích phần tử hữu hạn ALGOR FEAS đã chứng minh tính hợp lý

của phương án sử dụng hình thức kết cấu, kích thước và bố trí thép ứng suất trước của

cầu máng Ứng suất, biến dạng của cầu máng đều thỏa mãn các yêu cầu của quy phạm

Bai Xin-li (2001), Phân tích phần tử hữu hạn kết cấu cầu máng vỏ mỏng ứng suất trước mặt cắt chữ U nhịp liên tục Bài báo đã tiến hành phân tích kết cấu cầu máng vỏ

mỏng ứng suất trước mặt cắt chữ U với phương án nhịp liên tục và đưa ra kết quả phân tích tĩnh và phân tích đặc tính động Kết quả đã chỉ rõ so với phương án nhịp đơn,

phương án nhịp liên tục cho kết quả biến dạng, ứng suất và lượng dùng cốt thép đều

nhỏ hơn, ứng suất kéo lớn nhất và ứng suất nén lớn nhất đều thỏa mãn yêu cầu độ cường độ thiết kế được quy định trong quy phạm, chuyển vị lớn nhất cũng thỏa mãn yêu cầu về độ cứng và kiến nghị cải tiến phương án thiết kế ban đầu

Cheng wa (2008), Thiết kế cầu máng vỏ mỏng mặt cắt chữ U loại lớn sử dụng bê tông ứng suất trước theo hai phương Bài báo đã giới thiệu thiết kế cấu tạo thân máng cầu máng theo phương ngang và phương dọc từ đó tiến hành phân tích kết cấu và so sánh

với kết quả thí nghiệm nguyên mẫu 1:1 Qua thực tiễn cho thấy, hình thức cầu máng

vỏ mỏng mặt cắt chữ U sử dụng bê tông ứng suất trước theo hai phương đáp ứng tốt các yêu cầu về chịu lực, nứt và thấm

Li Xiao-ke (2009), Nghiên cứu phân tích quá trình thi công cầu máng hình thức dầm tường hai lần ứng suất trước Ứng dụng nguyên lý thiết kế và thi công lắp ghép, bài báo đã đề xuất phương án thi công hai lần ứng suất trước cho cầu máng hình thức tường dầm kiểu bán lắp ghép kết hợp chế tạo trước và đổ tại chỗ (xem hình 1-13) Tiến hành mô phỏng số toàn bộ quá trình thi công cầu máng để làm sáng tỏ quy luật phân

bố ứng suất và đặc tính biến hình của bê tông trong quá trình thi công hai lần ứng suất trước, thiết lập trình tự thi công hợp lý Kết quả cho thấy sử dụng phương án thi công hai lần ứng suất trước không chỉ giải quyết được vấn đề thi công bê tông mà còn giảm được giá trị vồng ngược của cầu máng

Ma Xian-fu (2013), Phân tích thí nghiệm tích nước cầu máng vỏ mỏng mặt cắt chữ U ứng suất trước loại lớn tại hiện trường Thông qua thí nghiệm đo đạc ứng suất biến

dạng và biến hình kết cấu thân máng dưới tác dụng của các mực nước trong máng khác nhau và so sánh với kết quả tính toán trên mô hình số cho thấy sau khi loại bỏ ảnh hưởng của các nhân tố phi tải trọng như nhiệt độ, từ biến bê tông…cho kết quả tương đối phù hợp Đồng thời thông qua thí nghiệm tích nước, tính an toàn của cầu máng được kiểm chứng

1.3.2 Ứng dụng cầu máng BTCT tại Việt Nam

Việt Nam chưa có một cầu máng nào sử dụng công nghệ ƯST mặc dù cũng đã có

những nghiên cứu và đề xuất công nghệ này Các nghiên cứu về cầu máng BTCT hoặc

BTCT-ƯST tại Việt Nam hiện nay rất ít đa phần trong các Luận văn Thạc sĩ và trong các thuyết minh tính toán lựa chọn phương án các dự án thủy lợi thủy điện:

Trần Văn Tuỳnh, Nguyễn Trí Trinh (2013), Nghiên cứu phương pháp thiết kế cầu máng loại lớn theo sơ đồ không gian bằng phương pháp phần tử hữu hạn Tác giả đã nghiên cứu đề xuất được phương pháp thiết kế cầu máng loại lớn (Phương pháp PTHH) và ứng dụng để tính toán cho một số trường hợp để từ đó nói lên được tính ưu

việt và tính chất khác biệt của phương pháp PTHH với các phương pháp tính toán khác Đưa ra được các ý kiến về phạm vi ứng dụng các phương pháp tính toán trong các điều kiện cụ thể khác nhau cho phù hợp

Nguyễn Thị Thùy Trung, Vũ Thanh Te (2014), Nghiên cứu xác định kích thước hợp lý

của cầu máng bằng vật liệu bê tông vỏ mỏng theo sơ đồ không gian Trong Luận văn tác giả đã tính toán nội lực kết cấu cầu máng BTCT theo sơ đồ kết cấu vỏ mỏng không gian cho các trường hợp mặt cắt ngang máng hình chữ nhật, hình thang và hình chữ U

Từ đó tính toán thiết kế mặt cắt hợp lý đảm bảo an toàn về kết cấu và tiết kiệm về kinh phí

Lê Bá Nhật Tuân, Vũ Hoàng Hưng (2014), Nghiên cứu trạng thái ứng suất và biến

dạng của cầu máng bê tông cốt thép ứng suất trước nhịp lớn kết hợp làm cầu giao thông Kết quả nghiên cứu của Luận văn cho thấy hiệu quả của việc sử dụng bê tông ứng suất trước khi tăng được chiều dài nhịp lên gấp hai lần so với cầu máng BTCT thông thường

Nguyễn Văn Dũng, Vũ Hoàng Hưng (2016), Nghiên cứu trạng thái ứng suất và biến

dạng của cầu giao thông trên cống và trên đập tràn kết hợp làm cầu máng dẫn nước Dưới đây là một số hình ảnh cầu máng BTCT kết hợp cầu giao thông phía trên điển hình ở Việt Nam:

Hình 1-17 C ầu máng BTCT Phước Hòa (nguồn internet)

Hình 1-18 C ầu máng BTCT Căm Xe (nguồn internet)

Hình 1-19 C ầu máng BTCT sông Cầu Chày (nguồn internet)

Hình 1-20 C ầu máng BTCT sông Âm (nguồn internet)

1.3.3 Hướng nghiên cứu

Các cầu máng bê tông cốt thép ở Việt Nam thường kết hợp với cầu giao thông phía trên hoặc chung trụ cầu Đối với cầu giao thông cần nhịp tương đối lớn (thông thường

cầu dầm ứng suất trước là 33m) Cầu máng BTCT ứng suất trước thường không đáp ứng được nhịp này Vì vậy để có thể tận dụng trụ cầu hoặc cầu giao thông cần nghiên

cứu sử dụng cầu máng BTCT bán lắp ghép, trong đó phần cầu như cầu giao thông,

phần máng được đặt lên mặt cầu

Do đó đề tài đã tiến hành nghiên cứu lý thuyết tính toán dầm bê tông cốt thép ứng suất trước và sử dụng chức năng tính toán dầm bê tông cốt thép ứng suất trong phần mềm SAP2000 để xác định trạng thái ứng suất và biến dạng của các bộ phận cầu máng bê tông cốt thép lắp ghép và áp dụng vào tính toán công trình cụ thể có xét tới điều kiện thi công

Xây dựng được mô hình tính toán kết cấu cầu máng bê tông cốt thép nhịp lớn có xét

tới điệu kiện và thiết bị thi công, với giải pháp là dùng kết cấu cầu máng bê tông cốt thép bán lắp ghép Từ đó áp dụng cho một công trình cụ thể

1.4 K ết luận Chương 1

Vấn đề lợi dụng tổng hợp nguồn nước là một bài toán tổng hợp cho các nhà quản lý, thiết kế, xây dựng thủy lợi Trong đó hệ thống kênh và công trình trên kênh đóng vai trò quan trọng như huyết mạch trong các hệ thống thủy lợi Việc tính toán thiết kế, xây

dựng kênh và công trình trên kênh phụ thuộc vào điều kiện địa hình, địa chất

Với các vùng có điều kiện địa hình phức tạp như các tỉnh miền núi, tây nguyên, hệ

thống kênh thường đi qua các vùng có địa hình phức tạp như: sông, suối, thung lũng sâu và hẹp thì việc sử dụng cầu máng luôn là lựa chọn số một của các nhà thiết kế vì các tính năng ưu việt của nó

Các công trình thủy lợi lớn nhỏ ở nước ta hầu hết đều có sử dụng cầu máng, việc sử

dụng cầu máng đem lại hiệu quả kinh tế và kỹ thuật cao

Có nhiều loại cầu máng đã được nghiên cứu và sử dụng trong thực tế: theo vật liệu sử

dụng có cầu máng bằng gỗ, cầu máng bằng gạch, đá xây, cầu máng bê tông cốt thép,

cầu máng xi măng lưới thép vỏ mỏng Theo hình thức kết cấu có sơ đồ kết cấu đổ liền

khối, cầu máng có mặt cắt hình chữ nhật, cầu máng có mặt cắt hình thang, cầu máng

có thanh giằng và cầu máng không có thanh giằng

Tùy theo điều kiện và yêu cầu của từng công trình cụ thể, chúng ta sử dụng loại cầu máng cho phù hợp để đảm bảo điều kiện kinh tế và kỹ thuật

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN CẦU MÁNG BTCT ỨNG SUẤT TRƯỚC BÁN LẮP GHÉP

2.1 C ấu kiện bê tông cốt thép bán lắp ghép chịu uốn [2]

2.1.1 Khái quát về kết cấu bê tông cốt thép bán lắp ghép

Cấu kiện bê tông cốt thép bán lắp ghép chịu uốn hay còn gọi là dầm bê tông hai lần đổ Lần thứ nhất đúc trong nhà máy tạo thành dầm đúc sẵn và vận chuyển đến công trường

để lắp đặt, lần thứ hai thi công tại hiện trường, sau khi đặt bản sàn đúc sẵn trên dầm ứng suất trước (hoặc không ứng suất trước) với một khoảng hở nhất định, đổ bê tông trên dầm làm cho bản và dầm liên kết thành một khối như hình 2.1 Dầm đúc sẵn và bê tông đổ sau có khả năng cùng làm việc như một khối và chủ yếu phụ thuộc lực dính trên mặt tiếp giáp Theo tính năng chịu lực dầm lắp ghép có thể phân thành hai loại

“dầm lắp ghép chịu lực một giai đoạn” và “dầm lắp ghép chịu lực hai giai đoạn” Loại

thứ nhất là chỉ dầm đúc sẵn ở dưới được bố trí chống đỡ đủ tin cậy để bảo đảm tải trọng tác dụng trong giai đoạn thi công trực tiếp truyền đến chống đỡ, dầm đúc sẵn không chịu lực, sau khi lớp bê tông đổ sau đạt đến cường độ, tháo dỡ chống đỡ, từ đó mặt cắt tổng thể chịu tải trọng Loại thứ hai là chỉ giai đoạn thi công phía dưới dầm không cần chống đỡ, dầm đúc sẵn đảm nhiệm tải trọng không đổi tác dụng trong giai đoạn thi công (dầm đúc sẵn, trọng lượng bản thân bản, trọng lượng bản thân bê tông

đổ sau) và hoạt tải thi công, sau khi bê tông đổ sau đạt đến cường độ, trên nền tảng dầm đúc sẵn đã chịu lực (lúc này tải trọng thi công phần nhiều đã dỡ bỏ), từ mặt cắt tổng thể tiếp tục chịu thêm tải trọng không đổi (như trọng lượng bản thân sàn, mái) cùng với hoạt tải mặt sàn hoặc mái giai đoạn sử dụng, vì vậy được gọi là “dầm lắp ghép chịu lực hai giai đoạn” Tính năng kết cấu của “dầm lắp ghép chịu lực một giai đoạn” không khác nhiều so với dầm đổ toàn khối thông thường Dưới đây chỉ giới thiệu “dầm lắp ghép chịu lực hai giai đoạn”

(3) (4)

Hình 2-1 D ầm lắp ghép (1) D ầm đúc sẵn; (2) Mặt tiếp giáp; (3) Bản sàn rỗng; (4) Bê tông đổ sau

2.1.2 Đặc điểm chịu lực

Hình 2.2 biểu thị so sánh tính năng của dầm đơn lắp ghép (hai lần đổ hoặc hỗn hợp) với dầm đơn đổ toàn khối hoàn toàn giống nhau về điều kiện (hình dạng mặt cắt, kích thước, cốt thép, cường độ vật liệu, phương thức gia tải…)

Hình 2- 2 So sánh tính năng dầm lắp ghép và dầm đổ toàn khối

(a) Quan hệ mômen – độ võng; (b) Quan hệ mômen – ứng suất cốt thép

Từ hình 2.2 có thể thấy rằng, giai đoạn chịu lực của dầm lắp ghép trước khi đổ lần 2 (M < M1), độ võng giữa nhịp tăng lên khá nhanh so với dầm đổ toàn khối, xuất hiện vết nứt cũng khá sớm, đây là do độ cao của dầm lắp ghép giai đoạn này nhỏ hơn độ

cao của dầm đổ toàn khối Khi dầm lắp ghép làm việc ở giai đoạn thứ hai, độ cao mặt cắt dầm tăng lớn, độ cứng tăng lớn khiến độ võng tăng lên khá chậm

Từ hình 2-2b có thể thấy rằng, trước khi dầm bị phá hoại, ứng suất cốt thép chịu kéo trong dầm lắp ghép đều lớn hơn dầm đổ toàn khối, đây là một trong những đặc điểm chịu lực của dầm lắp ghép

2.1.3 Phân tích khả năng chịu lực

Khả năng chịu lực giới hạn của dầm lắp ghép bê tông cốt thép thông thường và dầm đổ toàn khối cơ bản giống nhau Có thể sử dụng công thức tính toán khả năng chịu lực giới hạn trong lý thuyết bê tông cốt thép thông thường để đánh giá khả năng chống uốn của dầm lắp ghép Nhưng đối với dầm lắp ghép bê tông ứng suất trước, khi đoạn thềm dẻo của cốt thép chịu lực rất ngắn hoặc không có, ảnh hưởng của mô men M1

trước khi lắp ghép đến khả năng chịu lực giới hạn của dầm lắp ghép được cải thiện phần nào, lúc này ứng suất thực tế của cốt thép chịu lực dầm lắp ghép được xác định như thế nào khi phá hoại vẫn là một vấn đề cần phải nghiên cứu Trước đây nghiên cứu vấn đề khả năng chịu lực dùng lý thuyết cân bằng giới hạn, dựa vào kết quả thí nghiệm, chỉ xem xét điều kiện cân bằng tĩnh lực thiết lập công thức tính toán khả năng chịu lực, do nó chưa xem xét điều kiện biến hình của mặt cắt vì vậy không thể xác định ứng suất thực tế của cốt thép chịu lực, xuất phát từ giả thiết mặt cắt phẳng, có thể tìm được biện pháp giải quyết vấn đề này

Khi phân tích khả năng chịu lực dầm lắp ghép sử dụng giả thiết mặt cắt phẳng, cần có thêm các giả thiết cơ bản dưới đây:

Biến dạng trung bình của bê tông và cốt thép trước và sau khi lắp ghép phân bố tuyến tính dọc theo chiều cao mặt cắt, biến dạng của dầm lắp ghép ở trạng thái giới hạn khả năng chịu lực là biểu đồ bao biến dạng mặt cắt trước và sau lắp ghép, gần đúng phù hợp với phân bố tuyến tính phẳng;

Biểu đồ ứng suất vùng chịu nén của bê tông dầm lắp ghép là đường cong tương tự đường cong ứng suất biến dạng của bê tông, có thể dùng hệ số đặc trưng K1, K2 và K3

để biểu thị biểu đồ ứng suất dưới trạng thái giới hạn;

Khi mép ngoài cùng bê tông vùng chịu nén đạt đến biến dạng nén giới hạn εcu, coi dầm lắp ghép phát sinh phá hoại;

Không xem xét tác dụng kháng kéo của bê tông dưới trạng thái giới hạn;

Đã biết đường cong quan hệ ứng suất biến dạng của cốt thép

Với những giả thiết như trên, dùng hình 2-3 để biểu thị biểu đồ ứng suất và biến dạng của dầm lắp ghép dưới trạng thái giới hạn

Hình 2- 3 Biểu đồ ứng suất và biến dạng của dầm lắp ghép dưới trạng thái giới hạn (a) Dầm lắp ghép; (b) Mặt cắt; (c) Biểu đồ phân bố biến dạng; (d) Biểu đồ ứng suất

Từ hình 2.3 có thể thu được công thức tính toán khả năng chịu lực của dầm lắp ghép từ điều kiện cân bằng tĩnh lực:

' su ' s n b 2

; 75 , 0 K K

1 3

1

Từ điều kiện tương thích về biến dạng:

Đối với dầm lắp ghép bê tông cốt thép

1 s su

cu

cu 0

−ε

1 s '

su su

b cu

'

R75,

0

ε+

−ρσ

su su

b cu

su

'

R75,

−ρσ

εs1 – biến dạng của cốt thép chịu kéo khi gia tải giai đoạn 1

Dựa vào công thức (2.6) hoặc (2.7) có thể thông qua phương pháp giải lặp tính toán thu được ứng suất của cốt thép chịu lực của dầm lắp ghép bê tông cốt thép hoặc dầm lắp ghép bê tông ứng suất trước dưới trạng thái giới hạn Tính toán theo các bước như dưới đây:

Đầu tiên giả thiết giá trị σsu, thay vào công thức (2.6) hoặc công thức (2.7) thu được

εsu εpo và εs1 trong công thức có thể dựa vào tình trạng ứng suất trước và độ lớn của gia tải giai đoạn 1 để xác định σsu mới được tra từ εsu trên đường cong quan hệ ứng suất – biến dạng cốt thép thực tế Nếu giá trị σsu này tiệm cận với giái trị σsu giả thiết ban đầu thì ngừng lặp, σsu này đạt yêu cầu; Thay giá trị σsu này vào công thức (2.6) hoặc công thức (2.7) theo các bước trên đến khi thỏa mãn thì ngừng

Sau khi thu được σsu, có thể theo điều kiện cân bằng tĩnh lực hoặc công thức (2.5) để tính toán khả năng chống uốn của dầm lắp ghép

2.2 C ấu kiện bê tông cốt thép ứng suất trước [3]

2.2.1 Khái quát về kết cấu bê tông cốt thép ứng suất trước

Kết cấu BTCT ứng suất trước khác kết cấu BTCT thông thường ở chỗ trước khi chịu tác dụng của ngoại lực, cầu máng đã được nén trước Lực nén trước này làm giảm một

phần hay toàn bộ ứng suất kéo do ngoại lực sinh ra (trọng lượng bản thân máng, áp lực nước và tải trọng người đi lại), do đó làm tăng khả năng chống nứt theo phương dọc và

tạo nên độ vồng trước, làm giảm được độ võng tổng cộng của kết cấu khi khai thác

Do đó kết cấu BTCT-ƯST có thể vượt qua được các nhịp lớn hơn kết cấu BTCT thông thường

Hình 2-4 Tác d ụng của lực căng trước

Tác dụng của ứng suất trước có thể thấy rõ trong sơ đồ hình 2-4, dưới tác dụng của ngoại lực (áp lực nước, người qua lại, trọng lượng bản thân máng…) thớ dưới cùng

của dầm sinh ứng suất kéo σ3 Nếu trước khi chịu tác dụng của ngoại lực, cho dầm

chịu một lực nén lệch tâm N, làm cho thớ dưới cùng sinh ra ứng suất nén σ1 Vậy sau khi tác dụng của ngoại lực, ứng suất cuối cùng của tiết diện dầm bằng tổng ứng suất

của hai trường hợp tải trọng trên Ứng suất thớ dưới cùng của dầm có thể chịu nén σ1 -

σ3 > 0 hoặc chịu kéo khi σ1 - σ3 < 0

2.2.2 Phương pháp tạo ứng suất trước

2.2.2.1 Phương pháp căng trước

Phương pháp căng trước, hay còn gọi là phương pháp căng trên bệ, là dùng biện pháp

kỹ thuật làm cho các thanh cốt thép bị dãn ra một lượng cần thiết và tiến hành neo giữ chúng vào các bệ hoặc tường chịu lực Các hệ thống neo giữ này làm cho các thanh cốt thép không co lại được và tồn tại trong chúng ứng suất kéo Công tác lắp đặt các cốt thép thường, các chi tiết đặt sẵn và đổ bê tông cấu kiện được tiến hành trong khi các thanh cốt thép được giữ trong trạng thái bị căng Sau khi bê tông đạt cường độ nhất định thì tiến hành buông các thanh cốt thép căng Lực co lại của các thanh cốt thép được truyền vào bê tông gây ra ứng suất trước Các thanh cốt thép căng có thể có dạng

thẳng hoặc gấp khúc Việc tạo hình gấp khúc cho các thanh cốt thép căng được thực

hiện nhờ các móc neo liên kết với bệ căng hoặc khuôn Nói chung phương pháp căng

trước là phương pháp hiệu quả, nhất là trong trường hợp sản xuất các cấu kiện đồng

loạt

Hình 2-5 Phương pháp căng trước (căng trên bệ)

a Trước khi buông cốt thép ƯLT b Sau khi buông c ốt thép

1 C ốt thép ƯLT 3 Ván khuôn

2 B ệ căng 4 Thi ết bị kéo thép

5 Thi ết bị cố định cốt thép ƯLT 6 Tr ục trung tâm

2.2.2.2 Phương pháp căng sau [4]

Phương pháp căng sau, hay còn gọi là phương pháp căng trên bê tông, được thực hiện như sau: trước tiên tiến hành lắp đặt cốt thép thường, các chi tiết đặt sẵn, các ống (rãnh) để đặt cốt thép căng và đổ bê tông, sau đó đặt các thanh cốt thép căng vào các ống (rãnh) chừa sẵn (có thể đặt sẵn cốt thép căng ngay từ đầu); tiến hành căng cốt thép

và neo giữ không cho nó co lại bằng các thiết bị neo (các thiết bị neo làm nhiệm vụ tuyền lực do cốt thép bị căng gây ra lên bê tông, gây ra cho bê tông ứng suất trước);

tiếp đó tiến hành bơm vữa vào các ống (rãnh) để bảo vệ cốt thép căng và tạo ra sự liên

tục giữa cốt thép căng và phần bê tông Đó chính là loại bê tông ứng suất trước căng sau có bám dính Nếu không bơm vữa thì gọi là bê tông ứng suất trước căng sau không bám dính

Hình 2-6 Phương pháp căng sau (căng trên bê tông)

a Trong quá trình căng b Sau khi căng

1 C ốt thép ƯLT 2 C ấu kiện bê tông cốt thép

tải trọng ngoài gây ra sau này Lúc đầu ứng suất kéo trong cốt thép được áp đặt với

một giá trị nào đó, nhưng cùng với thời gian và sự làm việc của kết cấu, ứng suất này

bị giảm đi một phần Lượng ứng suất bị giảm đi này gọi là tổn hao ứng suất trước (gọi

tắt là tổn hao) Đối với cốt thép cường độ cao, tổn hao ứng suất trước có thể đạt đến 30% ứng suất căng ban đầu, còn đối với cốt thép cường độ thấp thì con số này có thể cao hơn nhiều, thậm chí có thể làm triệt tiêu hoàn toàn ứng suất căng ban đầu Xác định một cách chính xác các nguyên nhân, quy luật và phương pháp tính toán tổn hao ứng suất trước là một vấn đề khó Trong các tiêu chuẩn người ta thường đưa ra các phương pháp đơn giản, gần đúng để tính toán tổn hao ứng suất trước Điều may mắn là trong trường hợp thông thường tổn hao ứng suất trước trong cốt thép căng không ảnh hưởng đến cường độ chịu lực của cấu kiện bê tông ứng suất trước, mà chỉ ảnh hưởng đến khả năng chống nứt và sự làm việc bình thường của kết cấu