Phân tích ảnh hưởng của sự thay đổi nhiệt độ đến ứng suất và biến dạng của cầu toàn khối một nhịp tại khu vực nam bộ, việt nam

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN VĂN TOẢN PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG CỦA SỰ THAY ĐỔI NHIỆT ĐỘ ĐẾN ƯNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG CỦA CẦU TOÀN KHỐI MỘT NHỊP TẠI KHU VỰC NAM BỘ, VIỆT NAM Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng Công trình giao thơng Mã ngành: 60 58 02 05 LUẬN VĂN THẠC SĨ Thành phố Hồ Chí Minh, 2017 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học: TS LÊ BÁ KHÁNH Cán hộ chấm phản biện 1: PGS.TS võ PHÁN Cán chấm phản biện 2: TS PHÙNG MẠNH TIẾN Luận văn thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh ngày 27 tháng năm 2017 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: Chủ tịch Hội đồng PGS.TS LÊ THỊ BÍCH THỦY Thư ký Hội đồng TS NGUYỄN DANH THẮNG Cán phản biện PGS.TS võ PHÁN Cán phản biện TS PHÙNG MẠNH TIẾN ủy viên Hội đồng PGS.TS TRẦN NGUYỄN HOÀNG HÙNG Xác nhận Chủ tịch Hộỉ đồng đánh giá LV Bộ môn quản lý chuyên ngành sau khỉ luận văn sửa chữa (nếu có) Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Trưởng khoa — iii — ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập - Tự - Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: NGUYỄN VĂN TOẢN .MSHV: 7140679 Ngày, tháng, năm sinh: 20/07/1991 Nơi sinh: Hà lĩnh Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng Cơng trình giao thơng Mã số : 60 58 02 05 I TÊN ĐỀ TÀI: PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG CỦA SỰ THAY ĐƠI NHIỆT ĐỘ ĐẾN ÚNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG CỦA CẦU TOÀN KHỐI MỘT NHỊP TẠI NAM BỘ, VIỆT NAM II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: 1) Nghiên cứu tổng quan cấu tạo, thuận lợi khó khăn xây dụng hiểu biết cầu toàn khối 2) Nghiên cứu sụ truyền nhiệt kết cấu cầu sụ thay nhiệt độ Nam Bộ, Việt Nam 3) Nghiên cứu tổng quan tuơng tác “cầu toàn khối - đất nền” 4) Nghiên cứu tổng quan sụ làm việc mỏi cọc móng cầu tồn khối 5) Nghiên cứu ứng dụng chuơng trình ANSYS để phân tích ứng suất, biến dạng hệ mố - đất đắp quanh mố cầu toàn khối nhịp điều kiện Việt Nam (xây dụng sơ đồ phần tử hữu hạn, phân tích, nhận xét kết luận) III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : (Ghi theo QĐ giao đề tài) IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: (Ghi theo QĐ giao đề tài) V CÁN BỘ HUỚNG DẪN: TS LÊ BÁ KHÁNH TP Hồ Chí Minh, ngày 14 tháng năm 2017 CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO CÁN BỘ HƯỚNG DẪN TS Lê Bá Khánh TS Lê Bá Khánh TRƯỞNG KHOA HV: Nguyễn Văn Toản MSHV: 7140679 - vi- LỜI CẢM ƠN Lời trước hết em xin cảm ơn sâu sắc đến TS Lê Bá Khánh, người thầy dành nhiều thời gian tận tình hướng dẫn, động viên bảo suốt thời gian thực Luận văn Bên cạnh em chân thành cảm ơn tồn thể q thầy, giáo Trường Đại học Bách khoa Thành phố Hồ Chí Minh giảng dạy, truyền đạt cho em nhiều kiến thức kinh nghiệm quý báu Đồng thời, xin gửi lời cảm ơn đến Trường Đại học Thủy Lợi, Bộ mơn Cơng trình Giao thơng; Cơ sở - Đại học Thủy Lợi, Bộ mơn Kỹ thuật Cơng trình nơi công tác, tạo điều kiện thuận lợi để tơi hồn thành chương trình học Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn đến cha mẹ, anh chị, em trai, bạn bè đồng nghiệp ủng hộ tôi, kề vai sát cánh suốt thời gian qua./ Tác giả Nguyễn Văn Toản HV: Nguyễn Văn Toản MSHV: 7140679 - vii — TÓM TẮT LUẬN VĂN cầu toàn khối (CTK) kiểu cầu đại áp dụng rộng rãi giới, nhiên, tồn số vấn đề kỹ thuật cần nghiên cứu làm rõ Mục đích luận văn phân tích ứng suất - biến dạng kết cấu CTK nhịp giản đơn dạng liên hợp ảnh hưởng thay đổi nhiệt độ điều kiện Nam Bộ, Việt Nam sơ đồ tính phần tử hữu hạn (PTHH) 3D chương trình ANSYS Tương tác đất móng mố CTK xây dựng từ PTHH mơ hình Drucker-Prager Vật liệu kết cấu xem xét mơ hình đàn dẻo lý tưởng Nghiên cứu rằng, tác động nhiệt độ thay đổi, tương tác đất-kết cấu ứng suất kết cấu thay đổi theo Vào thời điểm nhiệt độ cao, cọc mố xu chuyển vị phía đất sau mố ngược lại vào đêm mùa đông nhiệt độ xuống thấp Đặc biệt, ứng suất cọc móng HP thay đổi theo tính chất trùng phục nhiệt độ, nguyên nhân làm cọc bị phá hoại mỏi Bằng việc tiếp cận phương pháp phân tích mỏi ứng suất theo thời gian thấy tuổi thọ cọc HP CTK có xu giảm chiều dài kết cấu nhịp tăng phạm vi nhiệt độ thay đổi rộng Từ khóa: cầu toàn khối, tương tác đất kết cấu, phần tử hữu hạn, phân tích mỏi, ANSYS HV: Nguyễn Văn Toản MSHV: 7140679 - viii - Impact of Temperature Change on Strain-stress of Integral Abutment Bridges in the South of Vietnam ABSTRACT: Integral Abutment Bridges (IABs) is a modem type of bridge which have been applied commonly in the world, however, there are still technical engineering problems remained that need to solve completely The objective of this thesis is to numerically simulate and analyze the stress-strain of structure of the single span IABs under thermal loading in Southern part of Vietnam, by using finite element method on ANSYS programme The interaction between soils and substructure of IABs was also simulated based on Drucker-Prager model In addition, the study takes into consideration the perfectly of elastic-plasticity of materials Various thermal loading were investigated, the result demonstrates that changes of soilstructure interaction and stress depend on thermal fluctuation Bridge displacements are affected by both daily and seasonal temperature changes Especialy, stress in H- pile steel changed due to thermal fluctuated cycle loading Approaching stress-life method in fatigue analysis, it can be in said that the trend of life of H-pile is decrease if length of superstructure is increase or the variation of temperature is larger Keywords: Integral Abutment Bridges, soil structure interaction, finite element, fatigue analysis, ANSYS HV: Nguyễn Văn Toản MSHV: 7140679 -ix- LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu khoa học độc lập tơi Các số liệu luận văn trung thực có nguồn gốc rõ ràng Các kết luận văn chưa cơng bố cơng trình khoa học Tác giả hoàn toàn chịu trách nhiệm tính xác thực nguyên luận văn Tác giả Nguyễn Văn Toản HV: Nguyễn Văn Toản MSHV: 7140679 -X- MỤC LỤC NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ .iii LỜI CẢM ƠN vi TÓM TẮT LUẬN VĂN vii LỜI CAM ĐOAN ix MỞ ĐẦU CHUƠNG 1: TÔNG QUAN VỀ CẦU TOÀN KHỐI 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 1.2 CẦU MỐ TOÀN KHỐI .6 1.2.1 Thuận lợi khó khăn cầu mố tồn khối 1.2.2 Vật liệu cọc cầu toàn khối 1.3 TUƠNG TÁC GIỮA ĐẤT VÀ MÔ, CỌC CẦU TỒN KHỐI 1.4 KẾT LUẬN CHNG 12 CHNG 2: SỞ LÝ THUYẾT PHÂN TÍCH CẦU TỒN KHỐI 13 2.1 TRUYỀN NHIỆT TRONG KẾT CẤU CẦU 13 2.2 TUƠNG TÁC GIỮA KẾT CẤU PHẦN TRÊN VÀ MÔ MÓNG 15 2.2.1 Phuơng pháp Winkler 16 2.2.2 Phuong pháp đuờng cong p - y 17 2.2.3 Mơ hình đàn hồi tuyến tính 18 2.2.4 Mơ hình Mohr - Coulomb Drucker - Prager .18 2.3 PHÂN TÍCH MỎI CỦA CỌC CẦU TOÀN KHỐI 21 2.3.1 Mỏi kết cấu 21 2.4 2.3.2 Phương pháp phân tích mỏi .22 2.3.3 Nghiên cứu mỏi cọc cầu toàn khối .28 2.3.4 Phương pháp phân tích phi tuyến vật liệu .30 ĐIỀU KIỆN NHIỆT ĐỘ KHU VỰC NGHIÊN CỨU 33 2.4.1 Khu vực nghiên cứu 33 2.4.2 Dữ liệu nhiệt độ thu 34 2.4.3 Mơ hình tốn biến số nhiệt độ 37 2.4.3.1 HV: Nguyễn Văn Toản Nhiệt độ thay đổi theo ngày 38 MSHV: 7140679 -xi2.4.3.2 Nhiệt độ thay đổi theo mùa 38 2.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG 38 CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH ÚNG SUẤT BIẾN DẠNG CẦU TỒN KHỐI DƯỚI ẢNH HƯỞNG CỦA THAY ĐƠI NHIỆT ĐỘ 40 3.1 GIỚI THIỆU 40 3.2 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN cứu 41 3.2.1 Thông số kết cấu 41 3.2.2 3.2.3 Thông số đất 45 Tải trọng tác dụng 46 3.3 Sơ ĐỒ PHẦN TỬ HỮU HẠN 48 3.3.1 Phần tử kết cấu điều kiện biên 48 3.3.2 Vật liệu thuộc tính 50 3.3.3 Mô hình đất 53 3.3.4 Bài toán kiểm tra sụ vận hành chuơng trình 53 3.4 KẾT QUẢ ÚNG SUẤT, BIẾN DẠNG VÀ CHUYÊN VỊ 56 3.4.1 ứng suất, biến dạng, chuyển vị mố cọc sơ đồ tĩnh 56 3.4.1.1 Chuyển vị đất xung quanh cọc 56 3.4.1.2 ứng suất cọc 57 3.4.1.3 Chuyển vị cọc 62 3.4.1.4 ứng suất mố 66 3.4.1.5 3.4.2 3.4.3 Chuyển vị mố 70 ứng suất, biến dạng dầm chủ sơ đồ tĩnh 71 Phân tích mỏi cọc theo thời gian 75 3.5 NHẬN XÉT CỦA CHƯƠNG 78 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 81 TÀI LIỆU THAM KHẢO 83 PHỤ LỤC 85 HV: Nguyễn Văn Toản MSHV: 7140679 - xii - DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng Gradient nhiệt theo phưong thẳng đứng kết cấu nhịp thép bê tông (22TCN272, 2005) 15 Bảng 2 So sánh phương pháp gia tăng bước (Incremental) Newton Raphson 31 Bảng So sánh phương pháp Full Newton - Raphson Newton - Raphson 32 Bảng Vùng nhiệt độ thiết kế Việt Nam 22TCN272-05 34 Bảng Vùng nhiệt độ thiết kế Việt Nam (Nguyễn Phúc Trí, 2006) 34 Bảng Nhiệt độ khơng khí trạm Tân Sơn Hòa, Tp Hồ Chí Minh 35 Bảng Nhiệt độ khơng khí trạm Mỹ Tho, Tiền Giang 35 Bảng Đặc trưng hình học phận kết cấu phần 43 Bảng Đặc trưng hình học cọc thép HP-410-210 (skylinesteel.NUCOR) 45 Bảng 3 Thông số đất 45 Bảng Các tham số mơ hình đất (DP MC) 45 Bảng Tổ hợp tải trọng hệ số tải trọng theo AASHTO LRFD 47 Bảng Thuộc tính vật liệu thép 50 Bảng Thuộc tính vật liệu bê tông 50 Bảng Tham số mơ hình đàn dẻo vật liệu thép bê tông 51 Bảng 3.10 Tham số vật lý đất mơ hình DP 53 Bảng 3.13 Tổng hợp kết phân tích qua trường hợp tính toán 55 Bảng 14 ứng suất thay đổi phụ thuộc phạm vi biên độ nhiệt độ thay đổi chiều dài nhịp phần tử phân tích 77 Bảng 15 Số chu kỳ mỏi phụ thuộc biên độ nhiệt độ thay đổi chiều dài nhịp 77 Bảng 16 Tuổi thọ mỏi cọc trường họp nghiên cứu giả thiết biên độ nhiệt độ thay đổi theo ngày 78 HV: Nguyễn Văn Toản MSHV: 7140679 -61- 3=5 w?ĩ :si I ,43«+ifr ũ ĨĨEP-i m -ã rn&i MS7 iAVO; r ANSYS RI 5.0 20 ỉom *