Nghiên cứu khả năng chịu cắt và xoắn tại vị trí mối nối trong cầu dầm hộp lắp ghép phân đoạn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI -o0o - NGUYỄN ĐẮC ĐỨC NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG CHỊU CẮT VÀ XOẮN TẠI VỊ TRÍ MỐI NỐI TRONG CẦU DẦM HỘP LẮP GHÉP PHÂN ĐOẠN LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội - 2020 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI -o0o - NGUYỄN ĐẮC ĐỨC NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG CHỊU CẮT VÀ XOẮN TẠI VỊ TRÍ MỐI NỐI TRONG CẦU DẦM HỘP LẮP GHÉP PHÂN ĐOẠN Ngành: KỸ THUẬT XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH GIAO THƠNG Chun ngành: XÂY DỰNG CẦU HẦM Mã số: 9580205 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1- PGS.TS NGUYỄN NGỌC LONG 2- GS.TS TRẦN ĐỨC NHIỆM Hà Nội - 2020 i MỤC LỤC MỤC LỤC i DANH MỤC BẢNG BIỂU v DANH MỤC HÌNH VẼ vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU .xii MỞ ĐẦU CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Tổng quan công nghệ cầu dầm hộp lắp ghép phân đoạn 1.1.1 Công nghệ xây dựng cầu dầm lắp ghép phân đoạn 1.1.2 Công nghệ chế tạo đốt dầm lắp ghép phân đoạn 12 1.1.3 Tình hình áp dụng cơng nghệ lắp ghép phân doạn xây dựng cầu giới Việt Nam 15 1.2 Mối nối sử dụng cầu lắp ghép phân đoạn 21 1.2.1 Mối nối ướt bê tơng đổ chỗ có cốt thép chờ (mối nối loại 1) 22 1.2.2 Mối nối ướt bê tơng khơng có cốt thép chờ (mối nối loại 2) 24 1.2.3 Mối nối vữa xi măng (mối nối loại 3) 25 1.2.4 Mối nối ướt sử dụng keo epoxy (mối nối loại 4) 25 1.2.5 Mối nối khô (mối nối loại 5) 26 1.2.6 Mối nối có khố chống cắt keo epoxy (mối nối loại 6) 27 1.3 Tình hình sử dụng dạng mối nối lắp ghép 28 1.3.1 Tình hình áp dụng dạng mối nối nước giới 28 1.3.2 Tình hình áp dụng mối nối Việt Nam 28 1.4 Tình hình nghiên cứu sức kháng cắt mối nối cầu dầm lắp ghép phân đoạn 31 1.4.1 Các nghiên cứu sức kháng cắt mối nối phẳng 31 1.4.2 Các nghiên cứu sức kháng cắt mối nối có khố chống cắt 35 1.5 Đánh giá chung trạng mối nối 49 1.5.1 Đối với mối nối ướt sử dụng vữa xi măng, bê tông keo epoxy 49 1.5.2 Đối với mối nối khô (mối nối loại 5) 50 ii 1.5.3 Đối với mối nối có keo epoxy kháo chống cắt 50 1.6 Kết luận chƣơng 51 CHƢƠNG 2: PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ SỨC KHÁNG CỦA MỐI NỐI CÓ KHÓA CHỐNG CẮT TRONG CẦU LẮP GHÉP PHÂN ĐOẠN 52 2.1 Cơ chế truyền lực cắt hình thành sức kháng cắt mối nối 52 2.1.1 Cơ chế truyền lực cắt sức kháng cắt dầm bê tông cốt thép dự ứng lực toàn khối52 2.1.2 Cơ chế truyền lực cắt sức kháng cắt dầm bê tông cốt thép dự ứng lực lắp ghép phân đoạn 53 2.1.3 Các dạng phá hủy dầm thiếu hụt sức kháng cắt mối nối 53 2.2 Ứng xử chịu cắt mối nối có khóa chống cắt 54 2.2.1 Các mơ hình thiết kế mối nối có khóa chống cắt 54 2.2.2 Mơ hình ma sát cắt trượt 55 2.2.3 Mơ hình chống - giằng (giàn ảo) 57 2.2.4 Mơ hình sức kháng mơ men 58 2.3 Đánh giá sức kháng cắt mối nối có khóa chống cắt theo tiêu chuẩn dẫn kỹ thuật hành 59 2.3.1 Tính theo AASHTO1999,2017 [9] 59 2.3.2 Tính theo cơng thức Tiêu chuẩn Đức DBV99 [11] 60 2.3.3 Tính theo cơng thức Roberts Breen [20] 60 2.3.4 Tính theo công thức Rombach [10] 60 2.3.5 Tính theo 22TCN 272 – 05 [1] 61 2.3.6 Tính theo tiêu chuẩn Châu âu [8] 61 2.4 Xét ảnh hƣởng xoắn đến ứng xử cắt dầm hộp toàn khối dầm lắp ghép phân đoạn 62 2.4.1 Ứng xử chịu uốn xoắn dầm hộp bê tông dự ứng lực toàn khối 62 2.4.2 Nghiên cứu xoắn dầm hộp nguyên khối 63 2.4.3 Nghiên cứu ứng xử chịu cắt xoắn đồng thời cầu dầm hộp lắp ghép phân đoạn70 2.5 Kết luận chƣơng 71 iii CHƢƠNG 3: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VÀ PHÂN TÍCH MƠ PHỎNG SỐ ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG CHỊU CẮT CỦA KHÓA CHỐNG CẮT 73 3.1 Thiết kế nghiên cứu xác lập mẫu thí nghiệm 73 3.2 Đánh giá khả chịu cắt mẫu thí nghiệm theo 22TCN272-05 75 3.3 Nghiên cứu thực nghiệm xác định khả chịu cắt mẫu 77 3.3.1 Thiết kế thành phần bê tơng đúc mẫu thí nghiệm 77 3.3.2 Thiết kế mẫu thí nghiệm 77 3.4 Xử lý số liệu kết thí nghiệm 81 3.4.1 Kết thí nghiệm tổ mẫu S30 81 3.4.2 Kết thí nghiệm tổ mẫu S40 86 3.4.3 Kết thí nghiệm tổ mẫu S55 91 3.4.4 Kết thí nghiệm tổ mẫu S60 96 3.5 Phân tích mơ số sức kháng cắt khóa chống cắt 102 3.5.1 Mơ hình phân tích mẫu khóa chống cắt 102 3.5.2 Mơ hình FEM phần mềm sử dụng 103 3.5.3 Kết phân tích số 104 3.5.4 So sánh kết thí nghiệm phân tích số 116 3.6 Kết luận chƣơng 118 CHƢƠNG 4: ẢNH HƢỞNG CỦA XOẮN ĐẾN KHẢ NĂNG CHỊU CẮT CỦA MỐI NỐI VỚI KHÓA CHỐNG CẮT 120 4.1 Khái quát 120 4.2 Mơ hình mơ số nghiên cứu ảnh hƣởng xoắn đến sức kháng cắt mối nối có khóa chống cắt mẫu dầm lắp ghép 120 4.2.1 Cấu tạo mẫu thí nghiệm mơ 120 4.2.2 Vật liệu đặt trưng lý vật liệu 123 4.2.3 Kết phân tích mơ định lượng ảnh hưởng xoắn đến sức kháng cắt mối nối 124 4.3 Vận dụng phân tích ứng xử tải trọng kết cấu cầu dầm hộp liên tục lắp ghép phân đoạn 130 iv 4.3.1 Thông số kết cấu 130 4.3.2 Mơ hình số 131 4.3.3 Kết phân tích thảo luận 133 4.4 Kết luận chƣơng 137 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 139 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ 141 PHỤ LỤC 147 v DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Các loại mối nối cầu phân đoạn Mỹ 28 Bảng 1.2 Tổng hợp nghiên cứu mơ hình [24] 32 Bảng 1.3 Tổng hợp nghiên cứu dầm lắp ghép 34 Bảng 1.4 Kết thí nghiệm tính tốn khả chịu cắt khóa 41 Bảng 1.5 Tổng hợp kết thí nghiệm 43 Bảng 1.6 Bảng so sánh kết phân tích số thí nghiệm khố đơn 45 Bảng 1.7 Bảng so sánh kết phân tích số thí nghiệm với khố 45 Bảng 2.1 Tổng hợp kết tính theo tiêu chuẩn công thức tác giả 61 Bảng 2.2 Giá trị ứng suất tiếp mô-men xoắn 65 Bảng Các đặc trưng tổ mẫu thí nghiệm 76 Bảng Khả chịu cắt khóa lực ngang thay đổi từ – MPa 76 Bảng 3 Tổng hợp mẫu thí nghiệm 77 Bảng Tổng lợp lực V – H chuyển vị phá hoại tổ mẫu S30 86 Bảng Tổng lợp lực V – H chuyển vị phá hoại tổ mẫu S40 91 Bảng Tổng lợp lực V – H chuyển vị phá hoại tổ mẫu S55 96 Bảng Tổng lợp lực V – H chuyển vị phá hoại tổ mẫu S60 101 Bảng Tổng hợp khả chịu cắt tổ mẫu 101 Bảng Tổng hợp kết mô tổ mẫu S30 105 Bảng 10 Tổng hợp kết mô tổ mẫu S40 107 Bảng 11 Tổng hợp kết mô tổ mẫu S55 109 Bảng 12 Tổng hợp kết mô tổ mẫu S60 111 Bảng 13 Tổng hợp kết mơ tổ mẫu S55 có cốt thép 113 Bảng 14 Tổng hợp kết mơ tổ mẫu S60 có cốt thép 115 Bảng 15 Bảng so sánh kết thí nghiệm phân tích mơ số tổ mẫu 117 Bảng 16 Bảng so sánh kết phân tích mơ mẫu có cốt thép khơng có cốt thép 118 Bảng 17 Tổng hợp kết xác định khả chịu cắt mẫu nghiên cứu 119 Bảng 4.1 Đặc tính vật liệu, bố trí cáp độ lệch tâm tải trọng thí nghiệm 121 Bảng 4.2 Kết tải trọng thẳng đứng phá hoại mẫu thí nghiệm 123 Bảng 4.3 Bảng tổng hợp kết tính tốn mơ 129 Bảng 4.4 Các thông số vật liệu bê tông 132 Bảng 4.5 Các tiêu lý thép cường độ cao 132 Bảng 4.6 Tổng hợp kết phân tích với tĩnh tải HL93 135 vi DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1 Sơ đồ minh họa chế lắp ghép phân đốt đà giáo cố định Hình Sơ đồ minh họa chế vận hành công nghệ lắp ghép hẫng tịnh tiến Hình Q trình thi cơng cầu Linn Cove cơng nghệ lắp hẫng tịnh tiến Hình Sơ đồ minh họa chế vận hành công nghệ lắp ghép cân đối xứng dàn treo di động Hình Quá trình thi cơng cầu Oleron cơng nghệ lắp ghép cân đối xứng giàn treo di động Hình Q trình cơng nghệ thi công lắp hẫng cân 10 Hình Sơ đồ minh họa chế vận hành công nghệ Span By Span 10 Hình Hình ảnh thi công SBS Tân Vũ - Lạch Huyện 11 Hình Sơ đồ nguyên tắc bố trí đúc dầm theo kỹ thuật long-line 12 Hình 10 Bệ đúc tuyến dài cầu sông Kentucky-Mỹ 13 Hình 11 Bệ đúc ván khn công trường theo công nghệ đúc bệ ngắn 14 Hình 12 Hình ảnh thi cơng cầu Boston 15 Hình 13 Hình ảnh thi cơng cầu Spagetti Bowl 16 Hình 14 Hình ảnh thi công cầu Senkang & Panggol 16 Hình 15 Hình ảnh thi công cầu Middle Ring Road – Missing Link 17 Hình 16 Hình ảnh thi cơng cầu Light Rail Transit - Kualalumpur 17 Hình 17 Hình ảnh thi cơng cầu Paksey 18 Hình 18 Hình ảnh thi cơng cầu Bangna, Thái Lan 18 Hình 19 Hình ảnh cầu Wat Nakorn 19 Hình 20 Hình ảnh thi cơng cầu Kiền, TP Hải Phịng 20 Hình 21 Thi công nhịp cầu dự án Tân Vũ - Lạch Huyện 21 Hình 1.23 Mối nối bê tơng đổ chỗ có cốt thép chờ 24 Hình 1.24 Mối nối loại (bê tông hạt mịn) 25 Hình 1.25 Mối nối loại (vữa xi măng) 25 Hình 1.26 Mối nối có khóa keo epoxy liên kết 27 Hình 1.27 Bố trí loại khoá chống cắt theo phương dọc 29 Hình 1.28 Mặt cắt ngang vị trí mối nối loại A 29 Hình 1.29 Mặt cắt ngang vị trí mối nối loại B 29 vii Hình 1.30 Cấu tạo bố trí khố chống cắt sườn hộp 30 Hình 1.31 Cấu tạo chi tiết khoá chống cắt nắp 30 Hình 1.32 Bố trí khố chống cắt mặt cắt ngang 30 Hình 1.33 Cấu tạo chi tiết loại khoá chống cắt 30 Hình 1.34 Mơ hình mối nối thí nghiệm 36 Hình 1.35 Đường cong ứng suất cắt - trượt mối nối khơ có khóa ứng với mức ứng suất nén khác 36 Hình 1.36 Sự hình thành vết nứt mối nối khơ có khóa mối nối có keo epoxy có khóa 37 Hình 1.37 Cấu tạo nhịp cầu, mặt cắt ngang, khố chống cắt sườn 37 Hình 1.38 Mô cáp DƯL phân bố ứng suất chịu tải 38 Hình 1.39 So sánh kết thí nghiệm kết phân tích số 38 Hình 1.40 Phân bố ứng suất pháp cắt mối nối dóng mối nối hở 39 Hình 1.41Mơ hình mối nối khơ so ánh kết tính tốn với tiêu chuẩn khác 40 Hình 1.42 Cấu tạo mẫu bố trí thiết bị thí nghiệm 40 Hình 1.43 Biểu đồ mối quan hệ tải trọng biến dạng 41 Hình 1.44 Cấu tạo mẫu thí nghiệm 42 Hình 1.45 Hình ảnh đúc mẫu thí nghiệm 43 Hình 1.46 Phát triển vết nứt thí nghiệm khố đơn 44 Hình 1.47 Phát triển vết nứt thí nghiệm mẫu khố chống cắt 44 Hình 1.48 Mơ hình bố trí thí nghiệm phân tích số 45 Hình 1.49 Kết tính tốn so sánh khả chịu cắt khóa chống cắt theo đề xuất tác giả, theo tiêu chuẩn công thức khác 46 Hình 1.50 Mơ hình phân tích số so sánh thí nghiệm 47 Hình 1.51 Mối quan hệ ứng suất cắt trung bình qua khóa, ứng suất nén số khóa chống cắt 47 Hình 1.52 Cấu tạo mẫu mơ hình phân tích 48 Hình 1.53 Mối quan hệ tải trọng theo phương đứng, phương ngang chuyển vị 48 Hình 1.54 Các dạng vết nứt, độ mở rộng vết nứt xuất tương ứng với áp lực nén 49 Hình 2.1 Mơ hình phá hủy dầm bê tơng cốt thép dự ứng lực toàn khối lực cắt 52 viii Hình 2.2 Mơ hình phá hủy dầm BTCT DƯL lắp ghép phân đoạn lực cắt 53 Hình 2.3 Kích thước khố chịu cắt 55 Hình 2.4 Cốt thép chịu ma sát cắt góc nứt giả thiết 57 Hình 2.5 Mơ hình chống - giằng 58 Hình 2.6 Khả chịu cắt dựa mô men kháng cắt 59 Hình 2.7 Biểu đồ so sánh giá trị khả chịu cắt Vj (kN) 62 Hình 2.8 Vết nứt đáy dầm hộp chịu uốn xoắn đồng thời 63 Hình 2.9 Các hiệu ứng gây mặt cắt ngang tải trọng lệch tâm 63 Hình 2.10 Kích thước hình học mặt cắt dầm 64 Hình 2.11 Biểu đồ ứng suất tiếp xoắn mặt cắt dầm 65 Hình 2.12 Biểu đồ ứng suất tiếp lực cắt mặt cắt dầm 66 Hình 2.13 Biểu đồ ứng suất tiếp tổng hợp mặt cắt dầm 66 Hình 2.14 Trường biến dạng theo phương ngang mặt cắt dầm (tỷ lệ: 103) 67 Hình 2.15 Trường phân bố ứng suất pháp mặt cắt dầm 67 Hình 2.16 Trường phân bố ứng suất tiếp mặt cắt dầm 68 Hình 2.17 Lực cắt mặt cắt ngang dầm chịu xoắn 70 Hình 2.18 Cấu tạo dầm phân tích 71 Hình 3.1 Cấu tạo tổ mẫu số S30 cấu tạo mẫu S30-1, S30-2 73 Hình 3.2 Cấu tạo tổ mẫu số S40 cấu tạo mẫu S40-1, S40-2 74 Hình 3.3 Cấu tạo tổ mẫu số S55 cấu tạo mẫu S55-1, S55-2 74 Hình 3.4 Cấu tạo tổ mẫu số S60 cấu tạo mẫu S60-1, S60-2 75 Hình 3.5 Biểu đồ tương quan lực ngang lực thảng đứng 76 Hình 3.6 Cấu tạo ván khn đúc mẫu loại loại 78 Hình 3.7 Tổ chức đúc mẫu loại loại theo nguyên lý in oản 78 Hình 3.8 Mẫu loại loại sau gia cường 79 Hình 3.9 Cấu tạo giá thí nghiệm 80 Hình 3.10 Hình ảnh bố trí thiết bị thí nghiệm 81 Hình 3.11 Biểu đồ tương quan V-H thí nghiệm mẫu S30 lần 81 Hình 3.12 Biểu đồ tương quan V-D thí nghiệm mẫu S30 lần 82 Hình 3.13 Biểu đồ tương quan V-H thí nghiệm mẫu S30 lần 82 Hình 3.14 Biểu đồ tương quan V-D thí nghiệm mẫu S30 lần 83 Hình 3.15 Biểu đồ tương quan V-H thí nghiệm mẫu S30 lần 83 ...BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI -o0o - NGUYỄN ĐẮC ĐỨC NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG CHỊU CẮT VÀ XOẮN TẠI VỊ TRÍ MỐI NỐI TRONG CẦU DẦM HỘP LẮP GHÉP PHÂN ĐOẠN Ngành: KỸ THUẬT... sức kháng mối nối có khóa chống cắt cầu lắp ghép phân đoạn Chƣơng Nghiên cứu thực nghiệm phân tích mơ số đánh giá khả chịu cắt khóa chống cắt Chƣơng Ảnh hưởng xoắn đến khả chịu cắt mối nối với... VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Tổng quan công nghệ cầu dầm hộp lắp ghép phân đoạn 1.1.1 Công nghệ xây dựng cầu dầm lắp ghép phân đoạn 1.1.2 Công nghệ chế tạo đốt dầm lắp ghép phân đoạn