Nghiên cứu ứng xử của bê tông tháp cầu cửa đại tỉnh quảng ngãi do nhiệt thủy hóa gây ra

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KIỀU QUỐC LAI NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ CỦA BÊ TÔNG THÁP CẦU CỬA ĐẠI, TỈNH QUẢNG NGÃI DO NHIỆT THỦY HÓA GÂY RA LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH GIAO THƠNG Đà Nẵng, Năm 2018 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KIỀU QUỐC LAI NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ CỦA BÊ TÔNG THÁP CẦU CỬA ĐẠI, TỈNH QUẢNG NGÃI DO NHIỆT THỦY HÓA GÂY RA Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng Cơng trình giao thơng Mã số: : 8.58.02.05 LUẬN VĂN THẠC SĨ Người hướng dẫn khoa học: TS VÕ DUY HÙNG Đà Nẵng, Năm 2018 LỜI CAM ĐOAN Tơi cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Tác giả luận văn Kiều Quốc Lai MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 Lý chọn đề tài Mục tiêu nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Ý nghĩa khoa học giá trị thực tiễn đề tài Cấu trúc luận văn CHƯƠNG GIỚI THIỆU TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1.1 Tổng quan Cầu Cửa Đại – tỉnh Quảng Ngãi 1.2 Nhiệt thủy hóa bê tơng khối lớn 1.2.1 Các yếu tố gây nứt bê tông khối lớn .7 1.2.2 Các giai đoạn nứt bê tông khối lớn 1.2.3 Biện pháp phịng chống nứt bê tơng 10 1.2.4 Các lưu ý hạn chế nứt thi công bê tông khối lớn 14 1.3 Đặt vấn đề nghiên cứu 18 1.4 Những vấn đề cần giải 19 CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TỐN TÁC ĐỘNG CỦA NHIỆT THỦY HĨA 20 2.1 Thủy hóa xi măng 20 2.2 Cơ sở lý thuyết tính tốn nhiệt thủy hóa 23 2.2.1 Phân tích truyền nhiệt 23 2.2.2 Phân tích ứng suất nhiệt 25 2.3 Giới thiệu phần mềm Midas 26 2.4 Cơ sở phân tích tác động nhiệt thủy hóa Midas civil 27 2.5 Cơ sở phân tích phần tử hữu hạn 27 CHƯƠNG PHÂN TÍCH CÁC ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT THỦY HĨA ĐẾN THI CƠNG THÁP CẦU CỬA ĐẠI, TỈNH QUẢNG NGÃI 33 3.1 Thông số thiết kế tháp cầu Cửa Đại – tỉnh Quảng Ngãi 33 3.2 Phân tích ảnh hưởng nhiệt thủy hóa đến thi cơng tháp cầu Cửa Đại 35 3.2.1 Mơ hình hóa Midas Civil .35 3.2.2 Phân tích kết 43 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .57 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI (Bản sao) NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ CỦA BÊ TÔNG THÁP CẦU CỬA ĐẠI, TỈNH QUẢNG NGÃI DO NHIỆT THỦY HÓA GÂY RA Học viên: Kiều Quốc Lai Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng cơng trình giao thơng Mã số: 8.58.02.25 Khóa:K34 - Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN Tóm tắt -Thế giới nghiên cứu tác động nhiệt thủy hóa gây bê tơng khối lớn, cơng trình giao thơng, thủy lợi … Ở Việt Nam nay, ngày nhiều cơng trình lớn xây dựng, có cầu bắt qua sông lớn với bước nhịp lớn, kéo theo phải thi công trụ tháp cao với bệ móng trụ lớn Cầu Cửa Đại - tỉnh Quảng Ngãi trường hợp Vì vậy, việc nghiên cứu ứng xử bê tông tháp cầu nhiệt thủy hóa gây đặc biệt quan Nghiên cứu đề xuất nhằm đưa vấn đề xảy q trình thi cơng cầu Cửa Đại Từ vấn đề ta đưa giải pháp để hạn chế vết nứt bê tông khối lớn Tác giả tóm tắt kết đạt đưa hướng phát triển Từ khóa - Nhiệt thủy hóa, bê tơng khối lớn, cầu Cửa Đại – tỉnh Quảng Ngãi, ứng suất gây nứt Abstract - The world has studied the effects of hydrothermal heat caused in large mass concrete, in traffic, irrigation constructions Nowadays, in Vietnam, more and more large projects are being built, including bridges spanning large rivers with large steps, followed by the construction of towers with huge piers Cua Dai Bridge in Quang Ngai province is one of those cases Therefore, the study of the behavior of radiant bridge concrete caused by hydrothermal heat is particularly important This research is proposed to give possible problems during construction of Cua Dai Bridge From these issues we can offer solutions to limit cracks in large concrete blocks The author has summarized the results achieved and set out the direction for further development Key words – Heat of hydration, mass concrete, Cua Dai Bridge - Quang Ngai Province, crack stress DANH MỤC CÁC HÌNH Số hiệu hình Tên hình Trang 1.1 Sơ đồ vết nứt đập bê tông 1.2 Sự phát triển nhiệt thuỷ hố lịng bê tơng khối lớn dẫn đến nứt nhiệt 13 3.1 Mặt bệ móng trụ tháp 33 3.2 Mặt trụ tháp 34 3.3 Mặt bên trụ tháp 35 3.4 Khao báo đơn vị 36 3.5 Khai báo vật liệu 36 3.6 Khai báo từ biến 37 3.7 Khai báo từ biến 37 3.8 Điều kiện biên 39 3.9 Hàm nhiệt độ môi trường 39 3.10 Hệ số đối lưu ván khuôn thép 40 3.11 Hệ số đối lưu khơng khí 40 3.12 Nguồn nhiệt 41 3.13 Giai đoạn thi công 1- Bệ tháp 41 3.14 Giai đoạn thi công - phần vát bệ 42 3.15 Quy trình phân tích trường nhiệt độ, ứng suất bê tông khối lớn phương pháp PTHH 42 3.16 Mô hình khối móng dùng để phân tích 43 3.17 Vị trí nút mơ hình dùng phân tích 43 3.18 Biểu đồ nhiệt độ nút 44 3.19 Biểu đồ nhiệt độ nút N2727 (tại tâm bệ) 44 3.20 Trường phân bố nhiệt độ khối bê tông lúc 10giờ 45 3.21 Trường nhiệt độ lúc 20giờ 45 3.22 Trường nhiệt độ lúc 30giờ 45 3.23 Trường nhiệt độ lúc 40giờ 46 3.24 Trường nhiệt độ lúc 50giờ 46 3.25 Trường nhiệt độ lúc 60giờ 46 3.26 Trường nhiệt độ lúc 72giờ 47 3.27 Trường nhiệt độ lúc 80 47 Số hiệu Tên hình hình Trang 3.28 Trường nhiệt độ Lúc 100 47 3.29 Trường nhiệt độ cao 48 3.30 Trường nhiệt độ thấp 48 3.31 Biểu đồ ứng suất nút N2727 (tại tâm bệ) 49 3.32 Biểu đồ ứng suất nút N4759 (nút bề mặt) 50 3.33 Biểu đồ ứng suất nút N2745 N4772 50 3.34 Trường ứng suất lúc 10 50 3.35 Trường ứng suất Lúc 30 51 3.36 Trường ứng suất Lúc 50 51 3.37 Trường ứng suất Lúc 60 51 3.38 Trường ứng suất lúc nhiệt độ cao (72 giờ) 52 3.39 Trường ứng suất Lúc 80 52 3.40 Trường chuyển vị lúc 10 52 3.41 Trường chuyển vị lúc 30 53 3.42 Trường chuyển vị Lúc 50 53 3.44 Trường chuyển vị Lúc 72 53 3.45 Trường chuyển vị Lúc 80 54 3.46 Trường chuyển vị Lúc 100 54 3.47 Trường chuyển vị Lúc 130 54 3.48 Trường chuyển vị Lúc 140 55 3.49 Trường chuyển vị Lúc 730 55 3.50 Trường chuyển vị Lúc 1030 55 3.51 Biểu đồ ứng suất gây nứt nút N4759 56 3.52 Biểu đồ ứng suất gây nứt nút N2727 56 MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Hiện nay, với phát triển công nghệ đại thi cơng cầu giới nói chung, Việt Nam có cơng trình cầu đại, với quy mơ lớn, khả vượt nhịp lớn Ví dụ cầu Mỹ Thuận, cầu Cần Thơ, cầu Thị Nại, cầu Thuận Phước, cầu Bãi Cháy… cầu treo dây văng, dây võng, nước ta xây dựng cầu với cơng nghệ EXTRADOSED, có cầu Cửa Đại, tỉnh Quảng Ngãi vừa khởi công xây dựng vào đầu năm 2018, bắt qua sông Trà Khúc, tỉnh Quảng Ngãi Để xây dựng cầu có quy mơ lớn bên cạnh phải có hệ thống móng, trụ tháp với kích thước lớn Trong q trình đổ bê tơng khối lớn, thường xảy tượng nhiệt thủy hóa bê tơng, nghĩa bê tông ninh kết chuyển từ thể lõng sang thể rắn, thủy hóa xi măng, lượng nhiệt lớn sinh làm cho nhiệt độ bê tông tăng lên, chênh lệch nhiệt độ lớn so với bên ngoài, gây nên ứng suất nhiệt làm nứt nẻ bê tơng, ảnh hưởng lớn đến chất lượng cơng trình Qua đó, câu hỏi đặt nhu cầu thiết làm để biết trình phát sinh nhiệt thủy hóa bê tơng khối lớn, từ tránh xảy tượng nứt nẻ bê tông đổ bê tông Đồng thời, việc nghiên cứu nhiệt thủy hóa bê tơng cịn sở để đề xuất biện pháp đối phó để nâng cao chất lượng cơng trình Do đó, việc nghiên cứu ứng xử bê tơng nhiệt thủy hóa gây thi cơng tháp cầu, phân tích đặc điểm ứng suất, nhiệt độ, chuyển vị bê tông trụ tháp cầu có sở ý nghĩa thiết thực Đặc biệt, cầu Cửa Đại - tỉnh Quảng Ngãi cầu lớn gồm tháp với khối lượng bê tông lớn, đặc biệt lượng bê tơng cho bệ tháp Do đó, việc tiến hành phân tích nghiên cứu ứng xử bê tơng tháp cầu Cửa Đại nhiệt thủy hóa cần thiết Mục tiêu nghiên cứu a Mục tiêu tổng quát - Nghiên cứu trình nhiệt thủy hóa thi cơng trụ tháp cầu Cửa Đại, tỉnh Quảng Ngãi Đồng thời đưa đánh giá ứng xử ứng suất, chuyển vị nứt so với ứng suất cho phép bê tông tháp cầu - Đề xuất biện pháp để giảm nhiệt độ bê tông trụ cầu sau đổ bê tông - Đưa kết luận hướng phát triển đề tài b Mục tiêu cụ thể - Phân tích đặc điểm ứng suất, nhiệt độ, chuyển vị bệ trụ tháp cầu - Đề xuất quan hệ ứng suất tính tốn so với ứng suất gây nứt (Crack ratio), đồ thị - Các biện pháp hạn chế Đối tượng phạm vi nghiên cứu - Nghiên cứu: Nhiệt thủy hóa - tháp cầu Cửa Đại - Quảng Ngãi - Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu đánh giá tác động nhiệt thủy hóa q trình đổ bê tông tháp cầu Phương pháp nghiên cứu - Thu thập tài liệu có liên quan đến đề tài - Nghiên cứu phát triển lý thuyết phục vụ đề tài - Mơ hình kết cấu tháp cầu phần tử khối phần mềm Midas Ý nghĩa khoa học giá trị thực tiễn đề tài - Xác định ảnh hưởng nhiệt thủy hóa đến ứng xử Tháp cầu Cửa Đại - Quảng Ngãi - Xác định thay đổi nhiệt độ ứng suất q trình đơng cứng bê tông - Đưa khuyến cáo tác động nhiệt thủy hóa đến bê tơng khối lớn thi công Tháp cầu Cửa Đại- Quảng Ngãi Cấu trúc luận văn Ngoài phần mở đầu, kết luận, luận văn gồm chương: Chương Giới thiệu Tổng quan đề tài Chương Cơ sở lý thuyết tính tốn tác động nhiệt thủy hóa Chương Phân tích ảnh hưởng nhiệt thủy hóa đến thi công tháp cầu Cửa Đại, tỉnh Quảng Ngãi CHƯƠNG GIỚI THIỆU TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 1.1 Tổng quan Cầu Cửa Đại – tỉnh Quảng Ngãi Cầu Cửa Đại nằm quy hoạch tuyến đường ven biển Việt Nam Thủ tướng Chính phủ phê duyệt Quyết định số 129/QĐ-TTg ngày 18/01/2010 Đây cơng trình quan trọng kết nối giao thơng khu vực ven biển tỉnh, thành phố khu vực Vùng kinh tế trọng điểm miền Trung; khơng góp phần khai thác có hiệu tài nguyên biển vùng ven biển mà tăng cường củng cố quốc phòng, an ninh nhằm bảo vệ vững chủ quyền biển đảo đất nước; Mặt khác, cầu Cửa Đại đầu tư xây dựng góp phần quan trọng vào việc mở rộng không gian đô thị, điểm nhấn kiến trúc bố trí khơng gian thành phố Quảng Ngãi tương lai với mục tiêu xây dựng thành phố Quảng Ngãi mở rộng thành “thành phố hướng biển”; Vì vậy, việc đầu tư xây dựng cầu Cửa Đại cần thiết, có ý nghĩa đặc biệt quan trọng việc thúc đẩy phát triển kinh tế - xã hội khu vực ven biển tỉnh Quảng Ngãi, kết nối phát triển vùng ven biển duyên hải miền Trung, phân luồng giao thông, giảm áp lực cho Quốc lộ 1, giữ vững quốc phòng, an ninh biển đảo; tạo điều kiện lưu thông thuận lợi, rút ngắn thời gian lại nhân dân; Dự án Đầu tư xây dựng cơng trình cầu Cửa Đại UBND tỉnh Quảng Ngãi phê duyệt định số 468/QĐ-UBND ngày 20/03/2017 Hiện nay, Cầu Cửa Đại, tỉnh Quảng Ngãi khởi công xây dựng vào đầu năm 2018, bắt qua sông Trà Khúc, tỉnh Quảng Ngãi Để xây dựng cầu có quy mơ lớn bên cạnh phải có hệ thống móng, trụ tháp với kích thước lớn - Các thông số kỹ thuật cầu: Nguyên tắc thiết kế Tuân thủ qui mô tiêu chuẩn kỹ thuật bước Dự án đầu tư phê duyệt Vị trí cầu phù hợp với quy hoạch duyệt tỉnh Quảng Ngãi Cơng trình thiết kế với tuổi thọ 100 năm, có kết cấu phù hợp với quy mô tuyến đường cảnh quan kiến trúc xung quanh Đáp ứng yêu cầu quy hoạch phát triển tương lai đô thị, thuỷ lợi, mơi trường, dân sinh… Ít ảnh hưởng đến dân sinh Đảm bảo điều kiện làm việc bình thường cho cơng trình lân cận 57 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Qua phân tích thảo luận chương 3, luận văn đến số kết luận cụ thể sau: 1.1 Tác động nhiệt thủy hóa đến bê tơng tháp cầu Cửa Đại lớn, cần xem xét kỹ vấn đề thi công 1.2 Đối với bệ trụ tháp cầu Cửa Đại với kích thước 25x25x3,5+ 11,5x11,5x1,5m, mác bê tơng 40MPa, nhiệt độ mơi trường 25oC nhiệt độ lớn nhiệt thủy hóa gây tâm bệ trụ thời điểm 72 sau đổ bê tông 72,7°C, chênh lệch nhiệt độ tâm bệ bề mặt bệ 40°C Do cần có biện pháp nhiệt thủy hóa cho bê tơng tháp cầu 1.3 Ứng suất kéo lớn xuất trình đổ bê tông xuất bề mặt bệ tháp 4.46Mpa Khoảng từ 20h-140h sau đổ bê tơng ứng suất bê kéo bề mặt vượt ứng suất kéo cho phép 1.4 Tỷ số nứt (Crack ratio) nguy hiểm giai đoạn từ 20h-120h giai đoạn đổ bệ tháp, lúc tỷ số ứng suất ứng suất cho phép (Crack ratio=0.6-1), chứng tỏ cấu kiện bê tơng bị nứt khơng có biện pháp kiểm sốt Kết phân tích trường nhiệt độ ứng suất nhiệt phương pháp PTHH mô tả qui luật thay đổi xác định giá trị chúng vị trí thời điểm đóng rắn khác bê tơng Kết phân tích khẳng định tầm quan trọng việc kiểm soát trường nhiêt độ - ứng suất nhiệt để chống nứt nhiệt cho bê tông khối lớn điều kiện khí hậu Việt Nam Kiến nghị: Và Qua việc phân tích làm rõ chương 3, luận văn đến số kiến nghị sau: 2.1 Nhiệt thủy hóa xuất tháp cầu Cửa Đại cao (72,7°C) chênh lệch nhiệt độ 40°C, đồng thời ứng suất gây nứt nhiều thời điểm vượt ngưỡng cho phép gây nứt tháp cầu Cửa Đại – Quảng Ngãi 2.2 Cần thực biện pháp làm mát hạn chế tác động nhiệt thủy hóa thi công tháp cầu Cửa Đại - tỉnh Quảng Ngãi 2.3 Qua phân tích thấy rằng, chuyển vị nhiệt thủy hóa gây lớn gần 5.4 mm, cần xem xét đến tác động 2.4 Từ việc phân tích phương pháp PTHH, mở rộng phân tích mơ hình kết cấu thực tế, từ đưa dự báo điều chỉnh kịp thời phương án thi công 58 trước thi cơng thức Căn thay đổi phân bố nhiệt độ - ứng suất nhiệt phần khối bê tơng, đưa biện pháp thi công bảo dưỡng hiệu nhằm giảm chênh lệch nhiệt độ lớp bê tông, như: giữ nhiệt khối đổ (bằng vật liệu cách nhiệt); đưa nhiệt khối bê tơng ngồi ống chứa nước lạnh; điều chỉnh tỏa nhiệt lớp bê tơng khác cấp phối tính tốn lượng thép bổ sung chịu ứng suất kéo vị trí cần thiết với mục đích đảm bảo chất lượng độ bền sử dụng kết cấu bê tông khối lớn Hướng phát triển đề tài - Nghiên cứu biện pháp hạn chế ảnh hưởng nhiệt thủy hóa cho bê tơng khối lớn cầu Cửa Đại nói riêng xây dựng nói chung - Dùng thực nghiệm để nghiên cứu đối chứng với kết phân tích để có kết luận sâu - Nghiên cứu tối ưu hóa hệ thống làm mát cho bê tông khối lớn DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO TIẾNG VIỆT [1] Bazenov IU.M., Bạch Đình Thiên, Trần Ngọc Tính (2011), Cơng nghệ bê tơng, NXB Xây dựng, Hà Nội [2] Nguyễn Tiến Đích (2010), Cơng tác bê tơng điều kiện khí hậu nóng ẩm [3] Việt Nam, NXB Xây dựng, Hà Nội Hồ Ngọc Khoa (2011), Nghiên cứu biến dạng lớp kết cấu bê tơng, thi cơng theo phương pháp tồn khối, thời gian đầu đóng rắn, Báo cáo tổng kết đề tài NCKH cấp trường, Trường Đại học Xây dựng,Hà Nội Ngô Đăng Quang, chủ biên; Trần Ngọc Linh, Bùi Cơng Độ, Nguyễn Trọng Nghĩa (), Mơ hình hóa phân tích kết cấu cầu với MIDAS/Civil Tập TIẾNG ANH [4] [5] [6] ACI (2005) Building Code Requirements for Structural (ACI 318-05) Concrete and Commentary (ACI 318R-05), ACI Committee 318 ASTM C 150 (2002) Standard specification for Portland cement Annual Book of ASTM Standards, 1, 4.02 [7] ASTM C 305 (2002) Standard practice for Mechanical Mixing of Hydraulic Cement Pastes and Mortars of Plastic Consistency Annual Book of ASTM, l, 4.02 [8] ASTM C 204 (2002) Standard Test Method for Fineness of Hydraulic Cement by Air-Permeability Apparatus Annual Book of ASTM Standards, l, 4.02 [9] Abdllah I Husein Malkawi, et at (2003) Thermal-Structural Modeling and Temperature Control of Roller Compacted Concrete Gravity Dam Journal of Performance of Consturcted Facilities, 17(4), 177-187 [10] Ahmaruzzaman.M (2010) Progre A review on the utilization of fly ash Progress in Energy and Combustion Science, 36, 327-363 [11] Broda M., Wirquin E., and Duthoit B (2002) Conception of an isothermal calorimeter for concrete-Determination of the apparent activation energy Materials and Structures/Matdriaux et Constructions, 35, 389-394 [12] Baert G., Hoste S., et al (2008) REACTIVITY OF FLY ASH IN CEMENT PASTE STUDIED BY MEANS OF THERMOGRAVIMETRY AND ISOTHERMAL CALORIMETRY Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, 94(2), 485–492 [13] 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 [14] J.E Akin (1994), Finite Element for Analysis and Design, Academic Press B Gebhart (1993), Heat Condtion and Mass Diffusion, McGraw-Hill [15] JCI, VCA (2011), Hướng dẫn kiểm sốt nứt bê tơng khối lớn – phiên 2008, VCA, Hà Nội [16] JSCE (2007), Standard specifications for concrete structures – 2007 “Materials and Construction” [17] 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 [18] MIDAS Information Technology (2004), Heat of Hydration- Analysis Analysis Manual Version 7.0.1 ... PHÂN TÍCH CÁC ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT THỦY HĨA ĐẾN THI CƠNG THÁP CẦU CỬA ĐẠI, TỈNH QUẢNG NGÃI 3.1 Thông số thiết kế tháp cầu Cửa Đại – tỉnh Quảng Ngãi Cầu Cửa Đại UBND tỉnh Quảng Ngãi định đầu tư, xây...ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KIỀU QUỐC LAI NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ CỦA BÊ TÔNG THÁP CẦU CỬA ĐẠI, TỈNH QUẢNG NGÃI DO NHIỆT THỦY HÓA GÂY RA Chun ngành: Kỹ... cho bệ tháp Do đó, việc tiến hành phân tích nghiên cứu ứng xử bê tơng tháp cầu Cửa Đại nhiệt thủy hóa cần thiết Mục tiêu nghiên cứu a Mục tiêu tổng quát - Nghiên cứu trình nhiệt thủy hóa thi