Bài báo trình bày phương pháp tính toán lực cản giữa tao cáp dự ứng lực với thành ống gen và giữa các tao cáp trong cùng một bó cáp khi luồn tao cáp vào ống gen. Kết quả nghiên cứu là cơ sở cho công tác thiết kế cũng như việc lựa chọn máy luồn cáp phục vụ thi công dầm cầu bê tông dự ứng lực.
Khoa học Kỹ thuật Cơng nghệ Nghiên cứu tính toán lực cản tác động lên tao cáp luồn cáp vào ống gen thi công dầm cầu bê tông cốt thép dự ứng lực Nguyễn Xuân Khang, Nguyễn Chí Minh* Viện Khoa học Cơng nghệ Giao thơng Vận tải Ngày nhận 22/5/2017; ngày chuyển phản biện 25/5/2017; ngày nhận phản biện 21/6/2017; ngày chấp nhận đăng 26/6/2017 Tóm tắt: Bài báo trình bày phương pháp tính toán lực cản tao cáp dự ứng lực với thành ống gen tao cáp bó cáp luồn tao cáp vào ống gen Kết nghiên cứu sở cho công tác thiết kế việc lựa chọn máy luồn cáp phục vụ thi công dầm cầu bê tông dự ứng lực Từ khoá: Máy luồn cáp dự ứng lực, tao cáp dự ứng lực Chỉ số phân loại: 2.3 Research on calculating the drag impact on prestressing steel strand when pushing strands into the duct in the construction of girders Xuan Khang Nguyen, Chi Minh Nguyen* Institute of Transport Science and Technology Received 22 May 2017; accepted 26 June 2017 Abstract: This article presents the method of calculating the resistance between the prestressing steel strand and the duct wall, and between the strands of the same cable bundle when threading the cable into the duct Research result is the basis for the design as well as the selection of strand pushing machines for the construction of prestressed concrete girders Keywords: Prestressing steel strand, strand pushing machine Classification number: 2.3 Đặt vấn đề Kết cấu bê tông dự ứng lực (DƯL) áp dụng rộng rãi công trình xây dựng hạ tầng giao thơng, thủy lợi, cơng nghiệp Đặc biệt, cơng trình cầu bê tông ngày sử dụng dầm dạng kết cấu bê tông DƯL kéo căng sau Trong quy trình thi cơng cấu kiện bê tơng cốt thép DƯL nói chung dầm cầu bê tơng cốt thép DƯL kéo căng sau nói riêng có cơng đoạn khơng thể thiếu luồn tao cáp DƯL (thép DƯL) vào lòng ống gen đặt sẵn bên cấu kiện [1] Đây công đoạn nhiều thời gian công sức, đặc biệt dầm hộp liên tục vượt độ lớn thi công theo công nghệ đại đúc hẫng, lắp hẫng dây văng có nhiều tao cáp bó với chiều dài lớn (từ 70 tới 150 m với cầu đúc hẫng, lớn 200 m với cầu dây văng) việc luồn tay khơng thể, cơng đoạn luồn tao cáp DƯL phải thực thiết bị chuyên dùng Để lựa chọn loại thiết bị luồn tao cáp phù hợp làm sở cho việc thiết kế máy luồn cáp, thông số quan trọng cần phải nghiên cứu tính tốn lực cản ma sát tác động lên tao cáp luồn vào ống gen, từ tính tốn lực đẩy cần thiết máy Nội dung nghiên cứu Các tao cáp DƯL (Strand) cần phải luồn vào ống gen tole sóng mạ kẽm (Corrugated Metal Duct) polyethylene (Corrugated Plastic Duct) đặt sẵn bên dầm cầu bê tông DƯL Tùy vào loại dầm cầu mà Tác giả liên hệ: Email: chiminh73@gmail.com * 18(7) 7.2017 47 d d N = 2.P.sin(N =) 2.P.sin( ) số ma lực “ma sát cong” t Nếu hệ sốNếu ma hệ sát tao sát cáp ốngtao gencáp µvà ống lực dogen “malàsátµcong” trêndo chiều dài dx sẽdài là: dx là: Khoa học Kỹ thuật Cơng nghệ d dP = µ.N d= µ 2.P.sin( ) dPmsc = µ.N =mscµ 2.P.sin( ) d dα ống gen có chứa bó cáp gồm tao cáp DƯL lực lực “ma sát cong DoDo góc lệch góc lệchthường thườngnhỏ nhỏnên nên sin ( ) , dα sin d 2lực 2“ma sát cong” ứng với ) , Do góc lệch thường nhỏ nên sin ( 2, 4, 7, 12, 19, 22 đến 31 tao cáp , chí tới 49 tao cáp 2 chuyển hướngứng dα là: Trong trình đẩy tao cáp vào ống gen, lực đẩy dogóc “ma sát cong” với góc chuyển hướng dα là: máy truyền lên tao cáp DƯL phải thắng lực cản magóc chuyển hướng dα là: dP = µ.P.d msc dPmsc = µ.P.da (1) sát tao cáp với thành ống gen lực cản ma sát (1) dPmsc = µ.P.d P- dPms tao cáp bó cáp với P- dPms Lực ma sát thường phân biệt ba nhóm nguyên nhân: Do chuyển hướng quỹ đạo cáp theo chủ định người thiết kế dầm cầu thay đổi góc khơng mong muốn cáp dọc theo chiều dài; trọng lượng thân cáp; nguyên nhân ngẫu nhiên khác Hình ma Lực “ma sát cong” sát tao cáp ống gen bị xoắn vặn vào d N = 2.P.sin( ) nhau, đầu tao cáp luồn gặp phải vật cản lọt vào ống gen Nếu hệ số ma sát tao cáp ống gen µ lực “ma sát cong” chiều dài dx là: Để tính tốn thành phần lực cản trên, qua nghiên Hình 2 Lực do “ma sát lắc” PB x d cứu tài liệu nước ngồi [2-5], nhóm nghiên cứu đưa dP = µ.N = µ ) dP 2.P.sin( lắc” phụ thuộc vào độ cứng msc lớn lực ms“ma Độ sát = µ dα + k dx mơ hình cách tính sau: Pkính ống rộng lực ma sát x B ống Pgen, đường d dα (ống Do góc lệch thường nhỏ nên sin ( ) , lực “ma sát cong” ứng với P A dPkhoảng ms Xét lực ma sát chuyển hướng quỹ đạo thay nhỏ), dα + k 2 dx điểm gối tựa treo (4) = µ cách P ống phương Kết việc giảivà trình (4) ta được: góc chuyển hướng dαlà:quả đổi góc tao cáp ống, kiểu cáp, kiểu 0 phương pháp thi cơng Lực P A µ.P.d chiều dài dx cáp (hình 2): (1) msc =lắc” Tương ứng hai thành phần lực mát ma sát chuyển “madPsát Kết việc giải phương trình (4) ta được: (2) hướng quỹ đạo cáp theo chủ định người thiết kế dP = k.P.dx thay đổi góc khơng mong muốn cáp dọc theo chiều dài thường gọi lực “ma sát cong” (Curvature Frictional) lực “ma sát lắc” (Wobble Frictional) msl Do đó, tổng lực “ma sát cong” “ma sát lắc” chiều dài dx theo (1) (2) là: dPms = µ.P.da + k.P.dx (3) Tổng lực ma sát “ma sát cong” “ma sát lắc” chiều dài đoạn dầm AB = L (m) là: P- dPms P- dPms P- dPms P- dPms PB x dPms = µ dα + k dx P PA P- dPms P- dPms (4) (4) Kết việc giải phương trình (4) ta được: Kết việc giải phương trình (4) ta được: Pms = P.[1 - e-(µ.α+k.L) ] (5) Trong đó: P lực đẩy máy truyền lên tao cáp DƯL; Pms tổng lực ma sát từ “ma sát cong” “ma sát lắc” Hình Lực “ma sát cong” Hình 1. Lực do “ma sát cong” tao cáp DƯL hai đầu dầm cầu; L chiều dài tao Khi máy đẩy tao cáp DƯL với lực đẩy P, ta xét cáp luồn ống gen hai đầu dầm (m); m hệ số “madài sátdx cong” Hình Lực trêndochiều cáp DƯL đổi hướng góc dα ma sát tao cáp với ống gen; a tổng góc thay đổi góc dcong” “ma sát Hình Lực N = 2.P.sin( đổi hướng 2sẽ) sinh lực vng góc với tiếp tuyến nghiêng tao cáp hai đầu dầm cầu (rad); k hệ số cáp N tính sau (hình 1): “ma sát lắc” đơn vị chiều dài tao cáp DƯL (m-1) dcáp ống gen µ lực “ma sát cong” chiều Nếu hệ số ma sát tao N = 2.P.sin( ) d Hệ số ma sát µ phụ thuộc vào đặc trưng bề mặt dài dx là: N = 2.P.sin( ) cáp DƯL chiều ống gen, giá trị µ thay đổi từ 0,05 Nếu hệ số ma sát tao cáp cong” dống gen µ lực “ma sátđến 0,50.trên Giáchiều trị đại lượng cung cấp ma=sát ống lực µ thìdo lực“ma sát cong” dP =sốµ.N µ 2.P.sin( mschệ Nếu hệ sốNếu ma sát tao cáp tao và2 )cáp ốngvà gen gen µ dài dx là: tiêu chuẩn thiết kế Hệ số “ma sát lắc” k phụ thuộc vào hệ “ma sát cong” chiều dài dx là: dài dx là: d dα số ma sát độ cứng ống thay đổi từ 0,003/m Do góc dP lệch thường nhỏ nên sin ( ) d, )khi lực “ma sát cong” ứng với msc = µ.N = µ 2.P.sin( 2d đến 0,0066/m Hệ số ma sát tăng bán kính cong giảm, dPmsc = µ.N = µ 2.P.sin( ) góc chuyển hướng dα là: d dα Do góc lệch thường nhỏ nên sin ( ) , lực “ma sát(1)cong” ứng với dP = µ.P.d d dα 2 Do góc lệchmscthường nhỏ nên sin ( ) , lực “ma sát cong” ứng với 2 góc chuyển hướng dα là: 18(7) 7.2017 48 góc chuyển hướng dα là: (1) dPmsc = µ.P.d (1) dPmsc = µ.P.d Khoa học Kỹ thuật Cơng nghệ lực kéo tăng có rỉ bề mặt Các bảng 1, 2, cung cấp giá trị hệ số ma sát khuyến nghị tiêu chuẩn ACI, CEB-FIP 22 TCN 272:05 bốPtrí theo -(µ.α+k.L) dạng] parabol dựa biểu đồ mơ men (5) ms = P.[1 - e uốn) để sau kéo căng bó cáp DƯL dầm có xu hướng vồng lên tạo độ vồng theo yêu cầu Bảng Phạm vi hệ số ma sát ACI khuyến nghị Hệ số µ Hệ số k (theo mét) Cáp sợi đơn 0,15-0,25 0,0033-0,0049 Tao cáp sợi 0,15-0,25 0,0016-0,0066 Thanh cường độ cao 0,08-0,30 0,0003-0,0020 Cáp nằm ống gen kim loại - tao sợi 0,15-0,25 0,00066 Cáp bọc mỡ, khơng dính bám - tao sợi 0,05-0,15 0,0010-0,0066 Cáp bọc matit - sợi tao sợi 0,05-0,15 0,0033-0,0066 Dạng cáp DƯL Dầm cầu Tao cáp DƯL Các bó cáp dầm Ống gen PN Pđ P Hình Bố3.tríBố ốngtrí gen ống gen dầm (trên) mơ hình(trên) tính lựcvà cản mơ ma sát luồn cáp Hình dầm hình tính lực cản ma sát luồn cáp Lực đẩy máy tính theo giá trị lực ma sát tao cáp với ống gen là: Bảng Các giá trị hệ số ma sát đại diện CEB-FIP khuyến nghị cho cáp DƯL có bán kính cong lớn m Hệ số µ Hệ số k (theo mét) Cáp nằm trong ống gen (cáp có vỏ bọc) 0,50 0,0050 Cáp nằm trong các ống bọc bằng kim loại 0,20 0,0020 Các sợi kéo nguội 0,20 0,0020 Tao cáp (thường gồm sợi xoắn bện vào nhau) 0,25 0,0025 Các sợi tròn trơn, các sợi có gờ 0,30 0,0030 Dạng cáp DƯL Bảng Các giá trị hệ số ma sát 22 TCN 272:05 khuyến nghị Dạng cáp DƯL Hệ số µ Hệ số k (theo mét) 0,15-0,25 6,6x10-7 Vật liệu polyethylene 0,23 6,6x10-7 Các ống chuyển hướng thép cứng cho bó thép ngồi 0,25 6,6x10-7 Ống thép mạ 0,30 Loại ống gen Ống thép mạ cứng hay nửa cứng Sợi hay tao Thanh cường độ cao Độ võng ống gen tùy thuộc vào loại dầm, kích (8) P = (Pcủa ms + Fms) thước dầm (chiều chiều dài nhịp), tải trọng vị trí Thay (5) (6) vào (8)cao, ta được: bó cáp trên-(µ.α+k.L) dầm Việc luồn tao cáp vào ]+ (G + P.sin) P = P.[1 - e ống gen gặp bất lợi độ võng ống gen lớn, G. (9) P =góc lúc nghiêng tao cáp so với phương nằm ngang e-(µ.α+k.L)-.sin lớn Ta xét tao cáp DƯL máy đẩy vào ống gen với góc nghiêng a so với phương ngang, lực đẩy máy truyền lên tao cáp P Tại đầu tao cáp lực đẩy phân thành thành phần (hình 3): + Thành phần nằm ngang Pđ có tác dụng đẩy tao cáp vào ống gen + Thành phần thẳng đứng PN có tác dụng làm gia tăng áp lực tao cáp lên thành ống gen PN với trọng lượng G tao cáp tạo lực ma sát tao cáp với ống gen Ta có: Pđ = P.cosa, PN = P.sina Khi lực ma sát tao cáp ống gen trường hợp là: Fms = (G + PN) m = (G + P.sina) m (6) Trong đó: 6,6x10-7 + G - Trọng lượng tao cáp luồn ống gen (kg): G = L g Xét lực ma sát trọng lượng thân tao cáp Các ống gen chứa tao cáp dầm cầu bê tơng DƯL thường có hình dạng võng xuống (trắc dọc cáp thường 18(7) 7.2017 (7) Với L chiều dài tao cáp luồn ống gen (m); g trọng lượng mét chiều dài tao cáp (kg/m) 49 Khoa học Kỹ thuật Công nghệ + m - Hệ số ma sát tao cáp với ống gen + a - Góc nghiêng tao cáp đẩy so với phương ngang Xét lực ma sát nguyên nhân ngẫu nhiên khác - Hệ số ma sát tao cáp với ống gen dầm cầu thường sử dụng ống gen tole sóng mạ kẽm polyethylene (m = 0,25) - Hệ số “ma sát lắc” đơn vị chiều dài tao cáp DƯL Khi thi công đẩy nhiều tao cáp vào ống với tao cáp sợi (k = 0,0066/m) gen (bó nhiều tao cáp) gặp trường hợp ngẫu nhiên - Góc nghiêng tao cáp đẩy so với phương ngang: không mong muốn tao cáp đẩy bị vặn xoắn với Theo 22TCN 272:05 (Tiêu chuẩn thiết kế cầu) [6] với tao cáp luồn vào từ trước (điều dễ gặp dầm cầu bê tơng DƯL thường có a từ đến 300 tùy luồn tao cáp cuối bó có nhiều tao cáp), đầu tao cáp đẩy gặp phải vật cản lọt vào ống gen theo độ võng bó cáp, để tính tốn ta lấy a = 30 rad trình Pđổ bê tơng-(µ.α+k.L) ]mép ống gen bị quăn lên = 0,5236 (5) ms = P.[1 - e Thay giá trị vào (7) (9) ta tính được: lòng ống Khi lực đẩy tao cáp phải đủ lớn để ngồi việc khắc phục lực ma sát phải đẩy tao cáp vượt P = 355,56 kG chướng ngại ngẫu nhiên không mong muốn gặp phải Lực cần thiết để đẩy tao cáp vượt chướng ngại nêu Dầm cầu ngẫu nhiên không mong muốn ta lấy 30% lực ma sát Giá trị lực ma sát tao cáp với ống gen tổng lực tính Khi lực đẩy tao cáp cần thiết máy là: ma sát “ma sát cong” “ma sát lắc” Pms tính theo biểu Pđm = 1,3; P = 462,23 kG thức (5) lực ma sát tao cáp ống gen trọng vào giá trị lực đẩy cần thiết vừa tính, ta có CácCăn bó cáp lượng tao cáp Fms tính theo (6) Nhưng việc xác định dầm thể lựa chọn máy luồn cáp phù hợp làm sở Tao cáp DƯL Ống gen ngại ngẫu xác lực cần thiết để đẩy tao cáp vượt chướng cho việc tính tốn thiết kế máy nhiên khơng mong muốn tính tốn khó Vì qua nghiên cứu tham khảo tài liệu thiết bị có Kết luận giới kinh nghiệm thi công Việt Nam Pđ Việc sử dụng thiết bị giới hóa, tự động hóa phục nhận thấy việc lựa chọn lực đẩy cáp thiết kế cho máy vụ công tác thi công dầm cầu bê tông DƯL xu hướng tính theo giá trị lực ma sát tao cáp với ống gen giới Việt Nam Máy luồn P sau tăng thêm 20 đến 30% PN cáp thiết bị hữu ích thi cơng Hình 3.Lực Bố trí ống genmáy trongtính dầmtheo (trên) mơlực hình tính cản tao ma sát luồn cáp đẩy giávàtrị ma sátlựcgiữa dầm cầu bê tông DƯL, giúp tăng suất, đảm bảo chất cáp Lực với đẩy ốngcủa gen là: cơng trình giảm sức lao động người Một máy tính theo giá trị lực ma sát tao cáp với ống genlượng là: thông số quan trọng để lựa chọn máy (8) P = (Pms P+ F=ms(P ) ms + Fms) (8) phù hợp trị số lực cản tác động lên tao cáp Thay (5)vàvà(6)(6) ta được: Thay (5) vàovào (8) (8) ta được: luồn vào ống gen Kết nghiên cứu -(µ.α+k.L) -(µ.α+k.L) P = P.[1 e - e ]+ (G]++(GP.sina) m P =- P.[1 + P.sin) sở quan trọng cho việc tính lực đẩy cần thiết máy, từ cho việc thiết kế, lựa chọn máy phù hợp với G. (9) giúp(9) P = -(µ.α+k.L) e -.sin điều kiện thi công cụ thể, nhằm mang lại hiệu kinh tế - kỹ thuật cao Trong đó: P lực đẩy máy truyền lên tao cáp DƯL; L chiều dài tao cáp cáp luồn ống gen (giữa TÀI LIỆU THAM KHẢO hai đầu dầm) [m]; G trọng lượng tao cáp luồn [1] Bộ GTVT (1998), Tiêu chuẩn ngành 22TCN 247:98 - Quy trình thi cơng ống gen (kg); m hệ số ma sát tao cáp với ống gen nghiệm thu dầm cầu bê tông DƯL (tham khảo bảng 1, 3); k hệ số “ma sát lắc” đơn [2] Amlan K Sengupta and Devdas Menon (2001), Prestressed Concrete vị chiều dài tao cáp DƯL (tham khảo bảng 1, 3); a Structure, Indian Institute of Technology Madras góc nghiêng tao cáp đẩy so với phương ngang [3] Gail S Kelley (2000), “Prestress Loses in Post - Tensioned Structures”, PTI Qua khảo sát dầm cầu bê tông DƯL đã, Technical Notes, Issue 10, pp.1-3 thi cơng ta có thơng số đầu vào cho việc tính tốn [4] Modjeski and Masters (2003), Comprehensive Design Example for Prestressed Concrete Girder Superstructure Bridge with Commentary, Task order sau: DTFH61-02-T-63032 - Đường kính tao cáp lớn nhất: dc = 15,2 mm (theo tiêu [5] U.S Department of Transportation, Federal Highway Administration chuẩn ASTM A416) loại khơng vỏ bọc có g = 1,102 kg/m (2013), Prestress Manual-Post Tensioning Tendon Installation and Grouting - Chiều dài tối đa tao cáp luồn ống gen: L = 200 Manual, Report No FHWA-NHI-13-026 m (đối với bó cáp có chiều dài lớn 200 m tiến [6] Bộ GTVT (2005), Tiêu chuẩn ngành 22TCN 272:05 - Tiêu chuẩn thiết hành luồn từ hai đầu vào) kế cầu 18(7) 7.2017 50 ... Tao cáp DƯL Các bó cáp dầm Ống gen PN Pđ P Hình Bố3.tríBố ốngtrí gen ống gen dầm (trên) mơ hình(trên) tính lựcvà cản mơ ma sát luồn cáp Hình dầm hình tính lực cản ma sát luồn cáp Lực đẩy máy tính. .. tác dụng đẩy tao cáp vào ống gen + Thành phần thẳng ứng PN có tác dụng làm gia tăng áp lực tao cáp lên thành ống gen PN với trọng lượng G tao cáp tạo lực ma sát tao cáp với ống gen Ta có: Pđ... trị lực ma sát tao cáp với ống gen giới Việt Nam Máy luồn P sau tăng thêm 20 đến 30% PN cáp thi t bị hữu ích thi cơng Hình 3 .Lực Bố trí ống genmáy trongtính dầmtheo (trên) m lực hình tính cản tao