Nghiên cứu ứng dụng kết cấu ống thép nhồi bê tông trong cầu vòm mạng lưới

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA œ• - TRẦN CƯỜNG BÁ ĐIỀN NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG KẾT CẤU ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG TRONG CẦU VÒM MẠNG LƯỚI Chuyên ngành : xây dựng cầu hầm LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng 06 năm 2008 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 PHÙNG MẠNH TIẾN Cán chấm nhận xét : TS VŨ XUÂN HÒA Cán chấm nhận xét : TS BÙI ĐỨC TÂN Luận văn thạc sĩ bảo vệ HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày tháng năm 2008 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HOÀ Xà HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc -oOo Tp HCM, ngày tháng năm 2008 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: TRẦN CƯỜNG BÁ ĐIỀN Giới tính : Nam Ngày, tháng, năm sinh : 30-05-1981 Nơi sinh : Hậu Giang Chuyên ngành : Xây dựng cầu, hầm MSHV : 03806714 Khoá (Năm trúng tuyển) : 2006 1- TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG KẾT CẤU ỐNG THÉP NHỒI BÊ TƠNG TRONG CẦU VỊM MẠNG LƯỚI 2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN: Nghiên cứu thông số kết cấu ống thép nhồi bê tông, kết cấu cầu vòm mạng lưới Nghiên cứu ứng dụng kết cấu ống thép nhồi bê tơng cầu vịm mạng lưới 3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 21-02-2008 4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 30-06-2008 5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : TS PHÙNG MẠNH TIẾN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN TS PHÙNG MẠNH TIẾN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH TS LÊ BÁ KHÁNH Nội dung đề cương luận văn thạc sĩ Hội đồng chuyên ngành thông qua Ngày … tháng ….… năm 2008 TRƯỞNG PHỊNG ĐT - SĐH TRƯỞNG KHOA QL NGÀNH LỜI CÁM ƠN Xin trân trọng gởi lời cám ơn đến tất quý thầy cô, bạn bè, đồng nghiệp; người khuyến khích, hỗ trợ, động viên tạo điều kiện cho suốt thời gian qua, để ngày hôm hoàn thành chương trình học Bằng tất lòng, xin gởi đến bố mẹ lòng biết ơn tình cảm chân thành Xin chân thành cảm ơn quý thầy cô Trường Đại Học Bách Khoa, Bộ Môn Cầu Đường – Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng truyền đạt cho nhiều kiến thức bổ ích kinh nghiệm quý báu suốt trình học tập trường Xin gởi lời cảm ơn sâu sắc đến Tiến só Phùng Mạnh Tiến, người tận tình hướng dẫn suốt trình làm luận văn Xin chân thành cám ơn! ABSTRACT Bridge structures existing in Vietnam are very plentiful, from conventional structures such as simple bridge, trusses, arch bridge, continuous beam bridge… to modern structures like cable-stayed bridge, suspension bridge… when building a bridge, beside loading capacity aspect, people have to consider the aesthetic point of view The concrete filled steel tubular and the network arch bridge are new structures with several advantages like good loading capacity, saving of cost and aestheticism The thesis “Applied research of concrete filled steel tubular for the network arch bridge” study on taking full advantage of the concrete filled steel tubular and the network arch bridge, to find the structure is not only having good loading capacity, but also getting a great efficient in economy The Master Thesis includes Chapters : Chapter 1: General introduction Chapter 2: The theory of calculation Chapter 3: Applied research of concrete filled steel tubular for the network arch bridge Chapter 4: Conclusion, recommendation and next researching plan TOÙM TẮT LUẬN VĂN Kết cấu cầu hữu Việt Nam đa dạng, từ kết cấu nhịp giản đơn, cầu dàn, cầu vòm, cầu nhịp liên tục… kết cấu đại cầu treo dây văng, cầu treo dây võng… Bên cạnh vấn đề khả chịu lực kết cấu, độ mảnh cầu quan trọng xét quan điểm kiến trúc Kết cấu ống thép nhồi bê tông kết cấu cầu vòm mạng lưới thuộc dạng kết cấu có nhiều ưu điểm khả chịu lực, kinh tế thẩm mỹ Đề tài “Nghiên cứu ứng dụng kết cấu ống thép nhồi bê tông cầu vòm mạng lưới” mong muốn tận dụng ưu điểm kết cấu ống thép nhồi bê tông kết cấu cầu vòm mạng lưới, nhằm tìm giải pháp kết cấu đạt yêu cầu khả chịu lực mà kinh tế Luận văn gồm chương : Chương 1: Giới thiệu tổng quan Chương 2: Lý thuyết tính toán Chương 3: Nghiên cứu ứng dụng kết cấu ống thép nhồi bê tông cầu vòm mạng lưới Chương 4: Kết luận kiến nghị, hướng nghiên cứu tiếp đề tài -1 - MỤC LỤC CHƯƠNG MỞ ĐẦU TÍNH CẤP THIẾT VÀ MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 4 HẠN CHẾ CỦA ĐỀ TÀI CHƯƠNG GIỚI THIỆU TỔNG QUAN 1.1 KẾT CẤU ỐNG THÉP NHỒI BÊ TOÂNG 1.1.1 Định nghóa 1.1.2 Phân tích ưu khuyết điểm 1.1.3 Vật liệu 1.1.4 Cấu tạo 10 1.1.5 Ứng dụng thực tiễn 12 1.2 KẾT CẤU CẦU VÒM MẠNG LƯỚI 16 1.2.1 Định nghóa 16 1.2.2 Phân tích ưu khuyết điểm 17 1.2.3 Vật liệu 21 1.2.4 Cấu tạo 22 1.2.5 Một số cầu vòm mạng lưới giới 31 CHƯƠNG 34 LÝ THUYẾT TÍNH TOAÙN 34 2.1 TÍNH TOÁN KẾT CẤU ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG 34 2.1.1 Khaùi quaùt 34 2.1.2 Khả chịu lực kết cấu ống thép nhồi bê tông theo tiêu chuẩn thiết kế cầu – 22TCN 272-05 34 2.1.3 Khả chịu lực kết cấu ống thép nhồi bê tông theo tiêu chuẩn Trung Quốc - Hội tiêu chuẩn Trung Quốc CECS 28-90 36 -2 2.1.4 Khaû chịu lực kết cấu ống thép nhồi bê tông theo tài liệu Nga 39 2.2 TÍNH TOÁN KẾT CẤU CẦU VÒM MẠNG LƯỚI 42 2.2.1 Giới thiệu chung phương pháp tính toán nội lực 42 2.2.2 Phương pháp phần tử hữu hạn 43 2.2.3 Một số phần mềm tính toán 49 CHƯƠNG 51 NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG KẾT CẤU ỐNG THÉP 51 NHỒI BÊ TÔNG TRONG CẦU VÒM MẠNG LƯỚI 51 3.1 CÁC TRƯỜNG HP NGHIÊN CỨU 51 3.1.1 Bố trí chung 51 3.1.2 Các kết cấu 52 3.1.3 Tải trọng tổ hợp tải trọng 53 3.2 GIỚI THIỆU MÔ HÌNH TÍNH TOÁN 56 3.2.1 Moâ hình tính toán cho trường hợp chiều dài nhịp L=100m 56 3.2.2 Mô hình tính toán cho trường hợp chiều dài nhịp L=150m 58 3.2.3 Mô hình tính toán cho trường hợp chiều dài nhịp L=200m 60 3.3 KẾT QUẢ TÍNH TOÁN NỘI LỰC VÀ BIẾN DẠNG 62 3.3.1 Mô hình tính toán cho trường hợp chiều dài nhịp L=100m 62 3.3.2 Mô hình tính toán cho trường hợp chiều dài nhịp L=150m 73 3.3.3 Mô hình tính toán cho trường hợp chiều dài nhịp L=200m 84 3.3.4 Tổng hợp kết cho trường hợp nghiên cứu 95 CHƯƠNG 103 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 103 HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP CỦA ĐỀ TÀI 103 4.1 KẾT LUẬN 103 4.2 KIẾN NGHỊ 104 4.3 HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP 105 -3 - CHƯƠNG MỞ ĐẦU TÍNH CẤP THIẾT VÀ MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Lịch sử phát triển ngành xây dựng cầu giới trải qua nhiều giai đoạn Bắt đầu từ việc chặt cành bắc qua sông rạch nhỏ phục vụ nhu cầu lại, ngày có cầu vào lịch sử với chiều dài nhịp lên đến km với kết cấu mảnh Kết cấu cầu hữu Việt Nam đa dạng, từ kết cấu nhịp giản đơn, cầu dàn, cầu vòm, cầu nhịp liên tục… kết cấu đại cầu treo dây văng, cầu treo dây võng… Vật liệu từ gỗ, đá, BTCT, thép đến bê tông cường độ cao thép cường độ cao Bên cạnh vấn đề khả chịu lực kết cấu, độ mảnh cầu quan trọng xét quan điểm kiến trúc Với nhiệm vụ đáp ứng ngày cao nhu cầu giao thông vận tải, nhiều đề tài nghiên cứu vật liệu kết cấu nhằm xây dựng công trình đạt yêu cầu kỹ thuật mà hiệu kinh tế mỹ thuật Kết cấu ống thép nhồi bê tông kết cấu cầu vòm mạng lưới thuộc dạng kết cấu Kết cấu ống thép nhồi bê tông có nhiều ưu điểm như: giảm giá thành – lần so với kết cấu bê tông cốt thép So với kết cấu thép, giá thành hạ đến khoảng 40%, giảm lượng thép tiêu hao – lần Lõi bê tông ống làm tăng cường độ kết cấu chịu nén gấp 1.5 – lần, lượng thép để làm ống trọng lượng cốt thép kết cấu bê tông cốt thép Viêïc nhồi bêtông vào ống thép nâng cao độ bền chống ăn mòn, chống rỉ mặt trong, không -4 cần phải sơn mạ mặt ống thép; làm giảm độ mảnh cấu kiện, làm tăng độ ổn định cục thành ống Kết cấu cầu vòm mạng lưới có khả chịu lực tốt nhiều so với số dạng kết cấu khác có độ nhịp Đặc biệt độ mảnh kết cấu giúp cho cầu vòm mạng lưới vượt trội so với cầu khác mặt kinh tế thẩm mỹ Do đó, nghiên cứu ứng dụng kết cấu ống thép nhồi bê tông cầu vòm mạng lưới cần phải quan tâm nhằm mục đích đa dạng hóa kết cấu công trình cầu, phát huy ưu điểm kết cấu ống thép nhồi bê tông kết cấu cầu vòm mạng lưới, tìm giải pháp kết cấu đạt yêu cầu khả chịu lực mà kinh tế MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI Nội dung luận văn tập trung giải hai mục tiêu sau: - Phân tích thông số kỹ thuật ưu điểm kết cấu ống thép nhồi bê tông, kết cấu cầu vòm mạng lưới - Nghiên cứu ứng dụng kết cấu ống thép nhồi bê tông cầu vòm mạng lưới PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Nội dung nghiên cứu luận văn giải thông qua số phương pháp nghiên cứu sau: - Thu thập, tổng hợp phân tích tài liệu tham khảo có liên quan đến kết cấu ống thép nhồi bê tông cầu vòm mạng lưới - Phân tích lý thuyết tính toán kết cấu ống thép nhồi bê tông cầu vòm mạng lưới, đặc biệt nghiên cứu sâu phương pháp phần tử hữu hạn -105 4.3 HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP Trong khuôn khổ đề tài luận văn thạc só, học viên chưa thể nghiên cứu hết tất vấn đề kết cấu cầu vòm mạng lưới Hy vọng thời gian tới, tác giả mong muốn có nhiều nghiên cứu sâu loại cầu này, từ làm chủ công nghệ thiết kế thi công, nhanh chóng thực hóa việc xây dựng cầu vòm mạng lưới Việt Nam Bên cạnh đó, cầu dây văng, việc điều chỉnh nội lực dây vấn đề đáng quan tâm Để triệt tiêu độ vồng tónh tải, cầu vòm mạng lưới, người ta tạo độ vồng trước hệ dầm chủ cách điều chỉnh chiều dài dây xiên Điều chỉnh hợp lý nhất? Đây vấn đề cần nghiên cứu tiếp Ngoài vấn đề khả ứng xử tónh cầu vòm mạng lưới, cần phải quan tâm đến ứng xử động tính ổn định kết cấu Phức tạp khó khăn trình xây dựng cầu vòm mạng lưới giai đoạn thiết kế mà giai đoạn thi công công trình Với cầu vòm mạng lưới dùng tiết diện vòm ống thép nhồi bê tông việc tính toán kết cấu qua nhiều giai đoạn chịu lực vấn đề cần quan tâm TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Tveit, P “preliminary design of network arch road bridges - Examples with spans of 135 and 160 metres” Edition in March 10th 2006 [2] Tveit, P “An Introduction to the Network Arch” Lectures at NTNU Trondheim on August 15th 2006 [3] Tveit, P “preliminary design of network arch road bridges - with two examples spanning 93 and 120 metres” Edition in December 19th 2006 [4] Tveit, P “The Network arch – Bits of Manuscript after Lectures in 42 Countries” Internet edition in March 2006 [5] Brunn, B and Schanack, F “Calculation of a double track railway network arch bridge applying the European standards“ Graduation thesis at TUDresden August 2003 320 pages [6] Phùng Mạnh Tiến, Phạm Văn Hoàng “Giới thiệu cầu vòm mạng lưới” , Tạp chí Cầu Đường Việt Nam, năm 2004 [7] Phạm Văn Hoàng “Nghiên cứu kết cấu cầu vòm mạng lưới ứng dụng cho giao thông đường Việt Nam”, luận văn thạc só – Đại học Bách khoa Tp.HCM, năm 2004 [8] Nguyễn Viết Trung – Trần Việt Hùng, “Kết cấu ống thép nhồi bê tông”, nhà xuất xây dựng, Hà Nội 2006 [9] A I Kikin, R s Sanzharovski, V A Trull Kết cấu ống thép nhồi bêtông NXB Xây dựng Hà Nội 1999 [10] Phùng Mạnh Tiến – Vũ Trí Thắng “Cầu vòm ống thép nhồi bê tông” Tạp chí Giao Thông Vận Tải 6/2004 [11] Nguyễn Duy Dương “Nghiên cứu đặc điểm cấu tạo, tính toán, công nghệ thi công cầu vòm ống thép nhồi bê tông”, luận văn thạc só – Đại học Bách khoa Tp.HCM, năm 2005 [12] Trần Đại Minh “Một số nhận xét tính Kinh tế – Kỹ thuật – Mỹ thuật loại nhịp vòm chạy Thép – Bêtông” Tạp chí giao thông vận tải [13] Lê Đình Hồng - giảng môn phương pháp số nâng cao, trường đại học Bách Khoa Tp.HCM năm 2006 PHẦN PHỤ LỤC CÁC BIỂU ĐỒ NỘI LỰC VÀ BIẾN DẠNG Trường hợp chiều dài nhịp L=100m 1.1 Tiết diện vòm ống thép 80cm (trường hợp 1) Biểu đồ bao mômen uốn My Biểu đồ bao mômen xoắn Mx Biểu đồ bao lực dọc Fx Biểu đồ bao lực cắt Fz Biểu đồ biến dạng theo phương đứng 1.2 Tiết diện vòm ống thép nhồi bê tông 70cm (trường hợp 3) Biểu đồ bao mômen uốn My Biểu đồ bao mômen xoắn Mx Biểu đồ bao lực dọc Fx Biểu đồ bao lực cắt Fz Biểu đồ biến dạng theo phương đứng 1.3 Tiết diện vòm ống thép nhồi bê tông 60cm (trường hợp 4) Biểu đồ bao mômen uốn My Biểu đồ bao mômen xoắn Mx Biểu đồ bao lực dọc Fx Biểu đồ bao lực cắt Fz Biểu đồ biến dạng theo phương đứng 1.4 Tiết diện vòm ống thép nhồi bê tông 50cm (trường hợp 5) Biểu đồ bao mômen uốn My Biểu đồ bao mômen xoắn Mx Biểu đồ bao lực dọc Fx Biểu đồ bao lực cắt Fz Biểu đồ biến dạng theo phương đứng Trường hợp chiều dài nhịp L=150m 2.1 Tiết diện vòm ống thép 100cm (trường hợp 1) Biểu đồ bao mômen uốn My Biểu đồ bao mômen xoắn Mx Biểu đồ bao lực dọc Fx Biểu đồ bao lực cắt Fz Biểu đồ biến dạng theo phương đứng 2.2 Tiết diện vòm ống thép nhồi bê tông 90cm (trường hợp 3) Biểu đồ bao mômen uốn My Biểu đồ bao mômen xoắn Mx Biểu đồ bao lực dọc Fx Biểu đồ bao lực cắt Fz Biểu đồ biến dạng theo phương đứng 2.3 Tiết diện vòm ống thép nhồi bê tông 80cm (trường hợp 4) Biểu đồ bao mômen uốn My Biểu đồ bao mômen xoắn Mx Biểu đồ bao lực dọc Fx Biểu đồ bao lực cắt Fz Biểu đồ biến dạng theo phương đứng 2.4 Tiết diện vòm ống thép nhồi bê tông 70cm (trường hợp 5) Biểu đồ bao mômen uốn My Biểu đồ bao mômen xoắn Mx Biểu đồ bao lực dọc Fx Biểu đồ bao lực cắt Fz Biểu đồ biến dạng theo phương đứng Trường hợp chiều dài nhịp L=200m 3.1 Tiết diện vòm ống thép 120cm (trường hợp 1) Biểu đồ bao mômen uốn My Biểu đồ bao mômen xoắn Mx Biểu đồ bao lực dọc Fx Biểu đồ bao lực cắt Fz Biểu đồ biến dạng theo phương đứng 3.2 Tiết diện vòm ống thép nhồi bê tông 110cm (trường hợp 3) Biểu đồ bao mômen uốn My Biểu đồ bao mômen xoắn Mx Biểu đồ bao lực dọc Fx Biểu đồ bao lực cắt Fz Biểu đồ biến dạng theo phương đứng 3.3 Tiết diện vòm ống thép nhồi bê tông 100cm (trường hợp 4) Biểu đồ bao mômen uốn My Biểu đồ bao mômen xoắn Mx Biểu đồ bao lực dọc Fx Biểu đồ bao lực cắt Fz Biểu đồ biến dạng theo phương đứng 3.4 Tiết diện vòm ống thép nhồi bê tông 90cm (trường hợp 5) Biểu đồ bao mômen uốn My Biểu đồ bao mômen xoắn Mx Biểu đồ bao lực dọc Fx Biểu đồ bao lực cắt Fz Biểu đồ biến dạng theo phương đứng TÓM TẮT LÝ LỊCH KHOA HỌC I TÓM TẮT - Họ tên : TRẦN CƯỜNG BÁ ĐIỀN - Phái : Nam - Sinh ngày : 30-05-1981 - Nơi sinh : Hậu Giang II ĐỊA CHỈ LIÊN LẠC - Nhà riêng : 477/17, đường Mã Lò, phường Bình Hưng Hòa A, Q.Bình Tân, Tp.HCM - Điện thoại : 0983 649564 - Cơ quan : Công Ty Cổ Phần ĐT Tin Học & TVXD Phương Nam III QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO - Năm 1999-2004: Sinh viên trường Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh - Tốt nghiệp đại học: năm 2004 - Hệ quy - Trường: Đại học Bách khoa Thành phố Hồ Chí Minh - Chuyên ngành: Xây dựng Cầu đường - Năm 2006: Trúng tuyển cao học Khóa 2006 - Mã số học viên: 03806714 IV QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC - 2004 - 2006 : Công tác Phân Viện KHCN GTVT Phía Nam - 2007 – đến : Công tác Công Ty Cổ Phần ĐT Tin Học & TVXD Phương Nam – Tập đoàn Tân Tạo ... ứng dụng kết cấu ống thép nhồi bê tông cầu vòm mạng lưới? ?? mong muốn tận dụng ưu điểm kết cấu ống thép nhồi bê tông kết cấu cầu vòm mạng lưới, nhằm tìm giải pháp kết cấu đạt yêu cầu khả chịu lực... mạnh loại cầu vòm ống thép nhồi bê tông Bảng 1-1 thống kê số kết cấu cầu vòm ống thép nhồi bê tông xây dựng Trung Quốc Bảng 1-1 Một số cầu vòm ống thép nhồi bê tông Trung Quốc STT Tên cầu Cầu Yiwu... mặt kết cấu ống thép nhồi bê tông tương tự kết cấu bê tông cốt thép Do hệ thống kết cấu chịu lực nên dùng kết cấu ống thép nhồi bê tông cho cấu kiện chịu nén Về nguyên tắc không nên dùng kết cấu