Nghiên cứu sự làm việc cục bộ kết cấu trụ cột công trình cầu

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẶNG HOÀNG LONG NGHI N CỨ À I CC C T CẤ TR C T C NG TR NH CẦ LUẬN ĂN THẠC Ĩ Ỹ THUẬT XÂY D NG CÔNG TRÌNH GIAO THƠNG ĐÀ NẴNG, NĂ 2019 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẶNG HOÀNG LONG NGHI N CỨ À I CC C T CẤ TR C T C NG TR NH CẦ Chuyên ngành : Kỹ thuật Xây dựng Cơng trình giao thơng Mã số : 858.02.05 LUẬN ĂN THẠC Ĩ NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS VÕ DUY HÙNG ĐÀ NẴNG, NĂ 2019 i LỜI CÁ ƠN Để hoàn thành luận văn này, trước hết xin gửi lời cảm ơn chân thành đến tất quý Thầy Cô khoa xây dựng cầu đường, Phòng Đào tạo sau Đại học Bách Khoa Đà Nẵng, người truyền đạt cho kiến thức kinh nghiệm quý báu suốt trình học tập trường Bằng tất lịng, tơi xin gửi đến gia đình, bạn bè, đồng nghiệp lời cảm ơn tình cảm chân thành nhất, người khuyến khích, hỗ trợ, động viên, tạo điều kiện cho tơi theo hết khóa học đào tạo cao học hoàn thành luận văn Và đặc biệt Tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Thầy TS Võ Duy Hùng tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tơi suốt trình thực luận văn Xin chân thành cám ơn! iii TÓM TẮT LUẬN ĂN ĐỀ TÀI: “NGHIÊN CỨU S LÀM VI C C C B C NG TR NH CẦU” K T CẤU TR C T Học viên: Đặng Hoàng Long Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng cơng trình giao thơng Mã số: 8580205 Khóa:2018-2019 Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN Tóm tắt: Việc tính tốn, phân tích ứng suất cục vị trí phức tạp như: kết cấu trụ cột, kết cấu mố trụ cơng trình cầu n ln tốn phức tạp khó khăn, kỹ sư thiết kế kết cấu Cầu Đã có nhiều nghiên cứu thực tế vị trí trụ cột thường xuất nhiều vết nứt hư hỏng khác Những hư hỏng làm giảm làm việc an toàn, ảnh hưởng đến hiệu khai thác tuổi thọ cơng trình Do đó, uận văn sâu vào nghiên cứu làm việc cục kết cấu Trụ cột cầu, t đưa giải pháp hạn chế làm việc bất lợi kết cấu thông qua việc ứng dụng phần mềm Midas/Civil 2011 Kết phân tích mơ hình kết cấu trụ cầu tồn khối có thân cột cấu tạo BTCT, thân trụ theo phương ngang cầu gồm cột trịn đặc, thiết kế với đường kính 1,6m, chiều cao trụ 6,0m Bệ trụ cấu tạo hình chữ nhật đơn giản với chiều rộng bệ 7,0m, chiều dài bệ trụ 16,0m, chiều cao bệ trụ 2,0m Xà mũ nằm trụ với kích thước chiều dài xà mũ theo phương ngang cầu 16,0m, chiều rộng xà mũ theo phương dọc cầu 2,0m, chiều cao xà mã thay đổi t 1,5m ÷ 2,5m; Bên đặt hệ dầm gồm dầm chữ I cao H=1.8m, Chiều dài toàn dầm: Lnhịp = 36m Khi xét chi tiết t ng trường hợp ta nhận thấy vị trí lực cắt nguy hiểm thường xuất vị trí tiếp giáp với xà mũ, tiếp giáp với đế trụ giảm dần phía trụ Khi xét ứng suất pháp theo phương X ta thấy vị trí phía thớt trụ ứng suất kéo lớn lên đến 5.531,94 kN/m2, vị trí nách trụ xuất ứng suất nén lớn lên đến 6.096,48 kN/m2 giảm dần theo vị trí cách xa trụ Khi xét làm việc cục kết cấu trụ cầu theo ứng suất pháp theo phương Z ta thấy vị trí gối ứng suất kéo lớn lên đến 1.797,22 kN/m2, vị trí trụ ứng suất nén lớn lên đến 11.160,80 kN/m2 giảm dần phía trụ Khi phân tích chuyển vị trụ cột cơng trình cầu theo phương kết cấu trụ cột chuyển vị lớn vùng biên xà mũ có giá trị 4,7mm giảm dần phía trụ, xuống bệ trụ có giá trị không T kết nghiên cứu tác giả có nhận xét rằng, ứng suất tập trung trụ cột cơng trình cầu phân bố khơng tuyến tính, ứng suất nguy hiểm tập trung vị trí tiếp giáp xã mũ với thân trụ thân trụ với bệ Do vị trí cần ý thiết kế tổng thể “ T DY ON WOR ING DEPART ENT OF COLUMN OF BRIDGE CON TR CTION” Abstract : The calculation and analysis of local stresses in complex positions such as column structures, bridge abutment structures Always a complex and difficult problem, for Bridge structural design engineers There have been many studies and facts show that at the column site often appear many cracks and other damage These failures reduce the safe working, affecting the efficiency of exploitation as well as the life of the project Therefore, this thesis goes into the study of the local iv working of the Bridge Column structure, thereby offering solutions to limit the adverse working of the structure through the application of Midas / Civil software 2011 The analysis results of a monolithic column structure model made of reinforced concrete, colums horizontally including solid round columns, designed with a diameter of 1.6m, and a column height of 6, 0m The footing is made of simple rectangle with the width of 7.0m, 16.0m in length, and 2.0m in height The column cap are located on columns with the length of the longitudinal beams along the bridge 16.0m, the width according to the bridge width 2.0m, the height varies from 1.5m ÷ 2.5m; Above is the girder system consisting of I-beam beams H = 1.8m, Length of girder: L span = 36m When we look at the details in each case, we find that the most dangerous shear force position usually appears at the position such as adjacent to the cap, or adjacent to the footing and gradually decreases towards the middle of thecolumn When considering the legal stress in the X direction, it is found that at the position of the upper cutting board of the pole, the maximum tensile stress is up to 5,531.94 kN / m2, at the position under the armpit, the maximum compressive stress appears up to 6,096.48 kN / m2 and gradually decrease in locations away from the columns When considering the partial working of the bridge structure under the method of stress according to the Z direction, it is found that at the position between the bearings, the maximum tensile stress is up to 1,797.22 kN / m2, at the position below the stress column The maximum compression is up to 11,160,80 kN / m2 and decreases towards the center of the column When analyzing the displacement of the column of bridge constructions in different directions, the largest displacement column structure in the area of the caps is worth 4.7mm and decreases towards the column, then down to the footing equal zero From the results of the study, the author commented that, concentrated stresses in the column of bridge structure are non-linear distribution, dangerous stresses are concentrated in the contiguous positions between the column cat and the column and between column with footing Therefore these positions also need more attention in the overall design v M CL C LỜI CÁ ƠN i LỜI CA ĐOAN ii TÓM TẮT LUẬN ĂN iii M C L C v DANH M C CÁC BẢNG vii DANH M C CÁC HÌNH viii MỞ ĐẦU 1 Lý chọn đề tài Đối tượng nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu Đối tượng khảo sát Mục tiêu nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Ý nghĩa khoa học giá trị thực tiễn đề tài Dự kiến nội dung luận văn CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ S LÀM VI C CỦA TR CẦU VÀ CÁC S CỐ LIÊN QUAN 1.1 iới thiệu làm việc trụ cầu 1.1.1 Giới thiệu chung 1.1.2 Phân loại trụ cầu 1.2 Các hư hỏng cố liên quan đến trụ cầu 1.2.1 Các Hư hỏng nứt 1.2.2 Hư hỏng số nguyên nhân khác 11 1.2.3 Hư hỏng sai sót trình thiết kế 14 1.2.4 Hư hỏng sai sót q trình thi công 14 1.2.5 Hư hỏng trình sử dụng 15 1.3 Tình hình nghiên cứu phân tích cục 15 1.4 Tầm quan trọng phân tích cục trụ cầu 16 CHƢƠNG CƠ Ở LÝ THUY T CỦA ĐỀ TÀI 17 vi 2.1 Giới thiệu lý thuyết mô hình hóa phân tích cục 17 2.2 Cơ sở xây dựng mơ hình 19 2.3 hình hóa phân tích cục theo phương pháp phần tử hữu hạn 23 2.3.1 Q trình mơ hình hóa kết cấu cục 23 2.3.2 Một số loại phần tử hữu hạn hay sử dụng để mơ hình hóa kết cấu cục 23 2.3.3 Một số dẫn việc xây dựng mơ hình phân tích 25 2.4 Cơ sở phân tích phần tử hữu hạn 25 CHƢƠNG PHÂN TÍCH ỨNG XỬ C C B CỦA K T CẤU TR CẦU 31 3.1 Mơ hình hóa kết cấu 31 3.1.1 Giới thiệu thơng số mơ hình trụ cột cơng trình cầu 31 3.1.2 Tính toán hệ số phân bố ngang 33 3.1.3 Tính áp lực dầm truyền xuống trụ 38 3.1.4 Mơ hình hóa Midas Civil 45 3.1.5 Các trạng thái nghiên cứu 48 3.2 Phân tích làm việc cục kết cấu trụ cầu 53 3.2.1 Phân tích làm việc cục kết cấu trụ cầu chịu tác dụng tải trọng thẳng đứng 53 3.2.2 Phân tích làm việc cục kết cấu trụ cầu theo ax-shear 54 3.2.3 Phân tích làm việc cục kết cấu trụ cầu theo ứng suất pháp theo phương X 60 3.2.4 Phân tích làm việc cục kết cấu trụ cầu theo ứng suất pháp theo phương Z 66 3.2.5 Phân tích chuyển vị trụ cột cơng trình cầu theo phương chịu tải trọng theo phương thẳng đứng 71 K T LUẬN VÀ KI N NGHỊ 72 TÀI LI U THAM KHẢO QUY T ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN ĂN ( ẢN SAO) vii DANH M C CÁC BẢNG Số hiệu bảng Tên bảng Trang 3.1: Tải trọng tĩnh tải tác dụng lên dầm 33 3.2: Bảng tổng hợp tĩnh tải kết cấu nhịp: 39 3.3: Bảng kết tính tốn giá trị hoạt tải 40 3.4: Bảng tính tốn giá trị hoạt tải xếp nhịp 41 3.5: Bảng tính tốn giá trị hoạt tải xếp nhịp 41 3.6: Bảng tổ hợp nội lực xét mặt cắt xà mũ 44 3.7: Kết thể bảng dưới: 45 3.8: Các tải trọng tác dụng kết cấu 49 viii DANH M C CÁC HÌNH Số hiệu Tên hình hình Trang 1.1: Mố trụ cầu 1.2: Trụ dẻo 1.3: Một số hình ảnh trụ tồn khối 1.4: Trụ lắp ghép 1.5: Trụ bán lắp ghép 1.6: Các hư hỏng trụ cầu nứt 1.7: Hư hỏng xói lở 1.8: Hư hỏng sụt lún 1.9: Hư hỏng áp lực ngang 10 1.10: Hư hỏng trượt sâu 10 1.11: Các hư hỏng mưa lũ, thiên tai 11 1.12: Hư hỏng động đất, sạt lở 12 1.13: Hư hỏng ăn mòn, xâm thực 12 1.14: Hư hỏng trụ bê tơng bị ăn mịn 13 1.15: Hư hỏng bị ăn mòn, rỉ rét 13 1.16: Hư hỏng va chạm 14 3.1: Kích thước cấu tạo trụ mơ hình 31 3.2: Mặt cắt ngang cầu mơ hình 32 3.3: Đường ảnh hưởng áp lực lên dầm chủ hoạt tải xe gây 34 3.4: Kích thước mặt cắt ngang dầm qui đổi 36 3.5: Đường ảnh hưởng tải trọng đoàn người gây 38 3.6: Hình xếp xe lên đ.a.h Rg(T3) 39 3.7: Hình xếp xe lên đ.a.h Rg(T3) lệch tâm theo phương dọc cầu 40 3.8: Hình xếp xe lên đ.a.h Rg(T3) lệch tâm theo phương ngang cầu 41 3.9: Xếp tải trọng người lên đ.a.h.Rg(T3) 42 3.10: Xếp tải trọng người lệch tâm theo phương dọc cầu 43 71 H nh Đ Ư nén ớn v trí xét trụ (the phương pháp t ến Z) - Tại vị trí 1: Vị trí tiếp giáp với bệ trụ đạt giá trị 9.426,23 kN/m2 - Tại vị trí 2: Vị trí cách bệ trụ 2m đạt giá trị 7.711,62 kN/m2 - Tại vị trí 3: Vị trí cách bệ trụ 4m đạt giá trị 8.597,52 kN/m2 - Tại vị trí 4: Vị trí tiếp giáp với bệ trụ đạt giá trị 11.160,80 kN/m2 T trường hợp xét ta nhận thấy chịu tác dụng tải trọng vị trí khác trụ cầu sinh giá trị ứng suất khác Các giá trị ứng suất lớn thường xuất vị trí tiếp giáp với xà mũ, tiếp giáp với đế trụ giảm dần phía trụ 3.2.5 Phân tích chuyển v trụ cột cơng trình cầu theo phương ch u tải trọng theo phương thẳng đứng H nh h ển v trụ c t ch u tác dụng tải trọng Dựa vào biểu đồ ta nhận thấy chịu tác dụng tải trọng kết cấu trụ cột chuyển vị lớn vùng biên xà mũ có giá trị 4,7mm giảm dần phía trụ, xuống bệ trụ có giá trị khơng 72 K T LUẬN VÀ KI N NGHỊ Kết luận: Qua phân tích thảo luận chương 3, luận văn đến số kết luận cụ thể sau: Phân tích cục cho rõ vị trí làm việc bất lợi kết cấu trụ cột cơng trình cầu Rõ ràng ứng suất cục vấn đề cần ý cao trình thiết kế xây dựng Đây thông tin bổ sung tốt cho phân tích tổng thể Qua phân tích cục thấy rõ, trụ cột cơng trình cầu chịu tải trọng (tĩnh tải hoạt tải) ứng suất cục tập trung hai cột lớn, cụ thể vị trí tiếp giáp với xà mũ có lực cắt lớn lên tới 11.416 kN/m2 Tại vị trí tiếp giáp với bệ trụ có ứng suất cắt lớn khơng lớn, vị trí lực cắt lớn đạt 9.441,610 kN/m2 Cịn vị trí cách bệ 2m 4m lực cắt lớn 7.702,22 kN/m2 8.625,47kN/m2 Đặc biệt vị trí tiếp giáp với xà mũ trụ Như khẳng định ứng suất cắt phân bố khơng tuyết tính theo chiều cao trụ mà tập trung tiếp giáp với xà mũ bệ trụ Về ứng suất pháp theo phương X, tập trung lớn vị trí tiếp giáp cột (thân trụ) với xà mũ, ứng suất pháp lớn 5.531,94 kN/m2 Khi so sánh ứng suất pháp theo phương X dọc theo hai cột ( thân trụ), ta nhận thấy ứng suất phân bố phi tuyến, lớn tiếp giáp cột xà mũ Các vị trí thân cột ứng suất pháp không lớn không nguy hiểm Khi xét ứng suất pháp theo phương Z ( thẳng đứng ) có phân bố tương tự, ứng suất nén lớn tập trung vị trí tiếp nối trụ, bệ xà mũ Tại vị trí tiếp giáp với bệ trụ đạt giá trị 9.426,23 kN/m2 cịn vị trí cách bệ 2m ứng suất lớn đạt 7.711,62 kN/m2 vị trí cách bệ trụ 4m đạt giá trị 8.597,52 kN/m2 Còn vị trí tiếp giáp với xà mũ trụ đạt giá trị 11.160,80 kN/m2 Việc phân tích cục trụ cột đưa nhìn tổng quan làm việc cục kết cấu trụ cột cơng trình cầu Có nhiều thơng tin ứng bổ sung vào thiết kế tổng thể Kiến ngh : Và Qua việc phân tích làm rõ chương 3, luận văn đến số kiến nghị sau: Qua tổng kết phân tích cục thấy rõ, ứng suất tập trung phân bố phi tuyến theo chiều cao trụ, vị trí nguy hiểm nằm vị trí tiếp giáp Do cần xem xét đến phân tích cục phân tích kết cấu cầu 73 Các vị trí ứng suất tập trung lớn vị trí tiếp giáp cần có biện pháp gia cường thêm để tăng cường độ cứng cho kết cấu trụ cột Việc phân tích cục trụ cột cơng trình cầu rõ, ứng suất phân bố phi tuyến kết cấu trụ cột cần ý lựa chọn bố trí thép kết cấu trụ cột Khi có điều kiện nên tiến hành phân tích cục thiết kế tổng thể cơng trình cầu để tránh phá hoại cục Hướng phát triển đề t i Trong nghiên cứu chưa xét đến làm việc cốt thép, kết ứng suất cục lớn, hướng nghiên cứu đề tài nghiên cứu có xét đến làm việc đồng thời bê tơng cốt thép Nghiên cứu phân tích cục cho kết cấu khác mố cầu, tháp cầu kết cấu tương tự để có nhìn xác làm việc cục cơng trình cầu Nghiên cứu làm việc cục có xét đến ảnh hưởng nhiệt độ môi trường kết cấu TÀI LI U THAM KHẢO Tiếng iệt [1] Ngô Đăng Quang, chủ biên; Trần Ngọc inh, Bùi Công Độ, Nguyễn Trọng Nghĩa, h nh h a ph n tích ết cấ cầ ới IDA i i Tập [2] Hồ Ngọc Khoa (2011), Nghiên iến dạng ớp ết cấ ê t ng, thi c ng the phương pháp t n hối, t ng thời gian đầ đ ng ắn, Báo cáo tổng kết đề tài NCKH cấp trường, Trường Đại học Xây dựng,Hà Nội [3] JCI, VCA (2011), Hướng dẫn iể át nứt t ng ê t ng hối ớn – phiên ản 2008, VCA, Hà Nội [4] Bộ iao thông Vận tải (2005), iê ch ẩn thiết ế cầ N –05, Nhà xuất iao thông vận tải Hà Nội [5] Võ Như Cầu (2005), ính t án ết cấ the phương pháp phần t hữ hạn, Nhà xuất Xây dựng Hà Nội [6] ê Đình Hồng (2007), i giảng n phương pháp ố n ng ca , Trường ĐH Bách Khoa TPHCM [7] ê Đình Tâm (2006), ầ ê t ng cốt thép, Nhà xuất Xây dựng Hà Nội Tiếng Anh [8] ACI (2005) Building Code Requirements for Structural (ACI 318-05) Concrete and Commentary (ACI 318R-05) ACI Committee 318 [9] ASTM C 204 (2002) Standard Test Method for Fineness of Hydraulic Cement by Air-Permeability Apparatus Annual Book of ASTM Standards, l, 4.02 [10] Ballim Y and P.C Graham (2004) Early-age heat evolution of clinker cements in relation to microstructure and composition: implications for temperature development in large concrete elements Cement and Concrete Composition, 26, 417-426 [11] Global/local stress analysis of composite panels, Author links open overlay panelJ.B.RansomN.F.Knight, 1990, Computers & Structures; Volume 37, Issue 4, 1990, Pages 375-395 [12] JSCE (2007), Standard specifications for concrete structures – 2007 aterials and Construction [13] Local Stress Analysis of Rigid Fixity Joint of Pylon,Girder and Pier of an Extradosed Bridge; YU Lu-song,ZHU Dong-sheng(School of Civil Engineering,Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070,China) [14] Local Stress Analysis of the Big Intersection Angle V-Shaped Pier of Butterfly Arch Continuous Girder Bridge, Yong Sun and Lifeng Wang, 2010 [15] P P Bamforth, D.Chisholm, J.Gibbs, T.Harrison, Bamforth, D.Chisholm, J.Gibbs, Properties of Concrete for use in Eurocode 2, The Concrete centre ... cơng trình Để giúp cho kỹ sư thiết kế có nhìn sâu sắc hơn, giải triệt để vấn đề làm việc cục kết cấu trụ cột cơng trình cầu nêu trên, đề tài: Nghiên cứu làm việc cục kết cấu trụ cột cơng trình cầu. .. làm việc cục kết cấu trụ cầu theo ax-shear 54 3.2.3 Phân tích làm việc cục kết cấu trụ cầu theo ứng suất pháp theo phương X 60 3.2.4 Phân tích làm việc cục kết cấu trụ cầu theo... sâu vào nghiên cứu làm việc cục kết cấu Trụ cột cầu, t đưa giải pháp hạn chế làm việc bất lợi kết cấu thông qua việc ứng dụng phần mềm Midas/Civil 2011 Kết phân tích mơ hình kết cấu trụ cầu tồn