Nghiên cứu ảnh hưởng tiết diện và chiều cao vòm đến nội lực trong cầu vòm ống thép nhồi bê tông

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN NHẬT NGUYÊN NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG TIẾT DIỆN VÀ CHIỀU CAO VÒM ĐẾN NỘI LỰC TRONG CẦU VÒM ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG CHUYÊN NGÀNH : CẦU, TUY-NEN VÀ CÁC CÔNG TRÌNH KHÁC TRÊN ĐƯỜNG ÔTÔ VÀ ĐƯỜNG SẮT MÃ SỐ NGÀNH : 2.15.10 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP.HỒ CHÍ MINH, THÁNG 01 NĂM 2008 CÔNG TRÌNH ĐƯC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Cán Bộ Hướng Dẫn Khoa Học : TS PHÙNG MẠNH TIẾN Cán Bộ Chấm Nhận Xét : TS PHẠM QUANG NHẬT Cán Bộ Chấm Nhận Xét : TS ĐẶNG ĐĂNG TÙNG Luận văn Thạc Só bảo vệ : HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Ngày 20 tháng năm 2008 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc -oOo Tp HCM, ngày tháng năm NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Giới tính : Nam / Nữ Họ tên học viên: NGUYỄN NHẬT NGUYÊN Ngày, tháng, năm sinh :24-04-1978 Nơi sinh : QUẢNG NAM Chun ngành : Cầu, Tuynen cơng trình xây dựng khác đường ô tô đường sắt Khoá (Năm trúng tuyển) : 2004 1- TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA TIẾT DIỆN VÀ CHIỀU CAO VÒM ĐẾN NỘI LỰC TRONG CẦU VÒM ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG 2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN: Nghiên cứu ảnh hưởng tiết diện chiều cao vòm đến nội lực cầu vòm ống thép nhồi bê tông 3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 5.2.2007 4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 5.11.2007 5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : TS PHÙNG MẠNH TIẾN Nội dung đề cương Luận văn thạc sĩ Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Họ tên chữ ký) TS PHÙNG MẠNH TIẾN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH (Họ tên chữ ký) LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành tốt luận án này, Tôi xin gởi lời cảm ơn sâu sắc đến Thầy TS Phùng Mạnh Tiến tận tình giúp đỡ thời gian thực luận án Tôi xin chân thành cảm ơn Thầy Cô môn Cầu Đường số môn liên quan – Trường Đại Học Bách Khoa TP HCM tận tình giảng dạy, cung cấp cho kiến thức thực cần thiết bổ ích để không giúp có đủ kiến thức hoàn thành luận án mà giúp nhiều công việc mai sau Tôi xin chân thành cảm ơn người thân gia đình động viên giúp đỡ nhiều suốt thời gian qua Tôi xin chân thành cảm ơn bạn bè, đồng nghiệp giúp đỡ, động viên tạo điều kiện tốt cho có thời gian tập trung hoàn thành luận án TÓM TẮT LUẬN VĂN Luận văn gồm nội dung sau : Mở đầu Giới thiệu khái quát đời phát triển cầu vòm ống thép nhồi bê tông giới Căn tình hình xây dựng cầu vòm ống thép nhồi bê tông có xe chạy Việt Nam để đặt vấn đề nghiên cứu đưa mục tiêu giới hạn đề tài Chương : Tổng quan cầu vòm ống thép nhồi bê tông Giới thiệu tổng quan kết cấu ống thép nhồi bê tông Tình hình ứng dụng loại cầu vòm ống thép nhồi bê tông giới Việt Nam Chương : Nghiên cứu lý thuyết tính toán Trong chương sâu nghiên cứu nguyên lý làm việc cầu vòm ống thép nhồi bê tông có xe chạy theo học kết cấu Nghiên cứu phương pháp tính theo phương pháp phần tử hữu hạn áp dụng giới Việt Nam Chương 3: Nghiên cứu mức độ ảnh hưởng tiết diện chiều cao vòm đến nội lực kết cấu cầu vòm ống thép nhồi bê tông Trong chương phân tích tính toán cho ba sơ đồ cầu vòm có phương trình vành vòm dạng parabol bậc với chiều cao vòm f: f=9.7m (sơ đồ 1), f=14.7m (sơ đồ 2) f=19.7m (sơ đồ 3) Trên sở kết thu đề suất tỷ số chiều cao vòm chiều dài nhịp phù hợp thực tế cho loại kết cấu Từ tiến hành tính toán phân tích cụ thể mức độ ảnh hưởng loại chiều cao vòm ứng với tiết diện đến nội lực kết cấu cầu vòm tác dụng loại tải trọng Dựa kết tính toán, tìm hệ số phần trăm chuyển đổi nội lực vành vòm từ tiết diện vành vòm tiết diện vành vòm khác hệ số phần trăm chuyển đổi nội lực vành vòm từ chiều cao vòm chiều cao vòm khác có sơ đồ nhịp tác dụng loại tải trọng Chương : Kết luận kiến nghị SUMMARY OF THE THESIS The thesis includes : Foreword Introducing the beginning and development of the concrete filled-steel tubular arch bridge around the world generally Based on the executing reality of concrete filled-steel tubular arch bridge with motors run beneath in Viet Nam to find out the goal of the thesis Chapter : Concrete filled-steel tubular Arch Bridge in general General introdution about Concrete-filled steel tubular structure The whole view of application of Concrete filled-steel tubular Arch Bridge in Viet Nam and around the world Chapter : Study on calculation theory using Structural Mechanic method and Finite Element method This chapter deeply examines the working principle of Concrete filled-steel tubular Arch Bridge with motors run beneath as Structural Mechanic method and Finite Element method in Viet Nam and around the world Chương 3: Examining the effect of arch’s heights and sections on the inner forces of Concrete filled-steel tubular Arch Bridge Structure This Chapter includes suggestions and calculation processings of types of Arch Bridge’s models – equivalent to types of Arch hoop’s quadratic equations with heights : f=9.7m (model 1), f=14.7m(model 2), f=19.7m(model 3) With the results, suggesting the ratio of arch’s height and span’s length that meets the reality Then calculating to analysis the effect of arch’s heights (within their sections) on the inner forces of arch structure under loads Thank to the results, finding out the ratio performing the transfer of inner forces from one section to another or from one arch’s height to another with the same span model under loads Chapter : Conclusion and Suggestions LỜI CAM ĐOAN Tôi tên Nguyễn Nhật Nguyên, xin cam đoan với HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA công trình nghiên cứu khoa học thực Có sử dụng tài liệu tham khảo có ghi phần lài liệu tham khảo với hướng dẫn Tiến Só Phùng Mạnh Tiến Nếu có tác giả đứng tranh chấp đề tài nghiên cứu khoa học này, xin hoàn toàn chịu trách nhiệm trước HỘI ĐỒNG Tp HCM, ngày tháng Người Cam Đoan Nguyễn Nhật Nguyên năm 2008 MỤC LỤC MỞ ĐẦU Trang Đặt vấn nghiên cứu đề tài Mục tiêu nghiên cứu đề tài Giới hạn nghiên cứu đề tài CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ SỰ PHÁT TRIỂN CỦA CẦU VÒM 1.1 Giới thiệu kết cấu ống thép nhồi bê tông 1.1.1 Các loại kết cấu ống thép nhồi bê tông 1.1.2 Đặc điểm làm việc ống thép tròn nhồi bê tông chịu nén 1.1.3 Ưu điểm kết cấu ống thép nhồi bê tông 1.2 Sự phát triển công trình cầu vòm giới 1.3 Sự phát triển công trình cầu vòm Việt Nam 10 CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ MÔ HÌNH TÍNH TOÁN 2.1 Phương pháp theo lý thuyết học kết cấu 13 2.1.1 Tính nội lực vòm có kéo 13 2.1.2 Độ cứng dầm dọc ảnh hưởng đến nội lực vòm 15 2.1.3 Ổn định sườn vòm 17 2.2 Tính toán dầm theo phương pháp phần tử hữu hạn 17 2.2.1 Phương pháp phần tử hữu hạn với mô hình bậc tự 17 98 • Dầm ngang: + Dầm ngang phía trong: không thay đổi nội lực ta giảm tiết diện hay giảm chiều cao vành vòm + Dầm ngang phía ngoài: tiết diện vành vòm giảm môment My dầm ngang có xu hướng tăng không đáng kể, giảm chiều cao vòm môment My tăng Chênh lệch môment My dầm dầm ngang phía khoảng 35% • Lực căng cáp dọc: Khi mô hình cầu vòm dạng vòm cứng, dầm mềm giảm tiết diện vành vòm lực căng cáp giảm, chiều cao vòm giảm lực căng cáp tăng, sơ đồ sơ đồ tăng 20%, sơ đồ sơ đồ tăng 30% b) Trường hợp tiết diện ống đơn: • Vòm ống thép: + Khi giảm tiết diện vành vòm ⇒ lực dọc N vành vòm giảm theo khuynh hướng tuyến tính + My, Qz: giảm tiết diện vành vòm ⇒ môment My, Qz vành vòm giảm theo chiều giảm tiết diện + Ứng suất: giảm tiết diện vành vòm ứng suất nén vành vòm tăng dạng đường cong vượt ứng suất cho phép bê tông σnén = 0.5 f c' ⇒ không sử dụng loại tiết diện cho nhịp cầu lớn, nhiều xe cầu Khi chiều cao vòm giảm ứng suất nén vành vòm tăng • Dầm dọc biên: độ cứng vành vòm giảm sơ đồ vòm cứng dầm mềm không phù hợp nên lực căng cáp tăng ⇒ Lực nén dọc dầm biên tăng • Dầm ngang: Thay đổi giống loại vành vòm ống dạng số 99 c) So sánh loại tiết diện vành vòm có hình dạng khác biệt nhau: • 2D800 3D600: Hai loại tiết diện có diện tích giống nên có nội lực ứng suất gần xét chuyển vị Vz tiết diện 3D600 taờng 40% ữ 50% so vụựi 2D800 ã 2D600 1D1000: Hai loại tiết diện có diện tích giống nên có nội lực ứng suất gần xét chuyển vị Vz tiết diện 1D1000 tăng 40% ÷ 50% so với 2D600 d) Về chiều cao vành vòm: • Chiều cao vành vòm f tăng nội lực vành vòm giảm, f tăng chênh lệch nội lực vành vòm sơ đồ nhỏ dần Khi f tăng chệnh lệch ứng suất chân vòm đỉnh vòm lớn, điều lợi tiết diện chân vòm thường giống tiết diện đỉnh vòm khác có gia cố thêm tăng cường • Chệnh lệch ứng suất lớn sơ đồ ( f = 1 L f = L ) khoảng 3.73 20% ÷ 30% KIẾN NGHỊ Qua kết nghiên cứu rút đề tài này, luận văn kiến nghị số vấn đề thiết kế cầu vòm ống thép nhồi bê tông có xe chạy sau : • Nên chọn phương trình đường tim vòm dạng parabol bậc có f = L có chênh lệch đỉnh vòm chân vòm không nhiều, phù hợp khả chế tạo thi công nước ta, khả chế tạo tiết diện việc thi công cẩu lắp độ linh động bê tông bơm cải thiện chiều cao vòm tăng f > L chiều dài nhịp lớn nên sử dụng loại vòm có xe chạy để giảm chiều dài treo 100 • Với sơ đồ nhịp L=73.5m có bề rộng 17.4m ứng với bốn xe thiết kế, lề hành 2x1.5m, trường hợp nghiên cứu nên dùng: chiều cao vành vòm f = f = L = 14.7 , tiết diện vành vòm 2D1000 Khi sơ đồ nhịp lớn L tăng tiết diện vành vòm Trong phạm vi luận văn, đề tài chưa thể nghiên cứu hết vấn đề ứng dụng cầu vòm ống thép nhồi bê tông, số phương hướng mục tiêu nghiên cứu hữu ích mà đề tài xin kiến nghị đề cập tiếp tục là: • Nghiên cứu cầu vòm ống thép nhồi bê tông có xe chạy với nhiều trường hợp nhịp để tổng kết làm sổ tay thiết kế • Nghiên cứu cầu vòm ống thép nhồi bê tông có xe chạy cần xem xét ổn định tổng thể ổn định cục • Nghiên cứu cầu vòm ống thép nhồi bê tông có xe chạy chạy • Nghiên cứu cầu vòm ống thép nhồi bê tông có nhiều ống (ví dụ 3, ống) • Nghiên cứu ứng suất cục neo chân vòm vách chuyển hướng đề từ kiến nghị cấu tạo chân vòm phù hợp • Nghiên cứu ứng xử cầu vòm ống thép nhồi bê tông tác dụng tải trọng động đất 101 TÀI LIỆU THAM KHẢO Phùng Mạnh Tiến, Nguyễn Duy Dương, “Một số đặc điểm cấu tạo tính toán cầu vòm ống thép nhồi bê tông”, Hội nghị khoa học công nghệ lần thứ Trường ĐH Bách Khoa TP Hồ Chí Minh - Năm 2005 & Tạp chí Cầu đường - Tháng 10/2005; Mạnh Tiến, Vũ Trí Thắng, “Phân tích sơ đồ tính toán cầu vòm bê tông cốt thép”, Hội nghị khoa học công nghệ lần thứ - Trường ĐH Bách Khoa TP Hồ Chí Minh - Năm 2005; Phùng Mạnh Tiến, Vũ Trí Thắng, “Cầu vòm ống thép nhồi bê tông”, Tạp chí Giao thông vận tải -Tháng 6/2004; Các vẽ bố trí chung cấu tạo chi tiết Cầu Xóm Củi, Cần Guộc, Ông Lớn; Nguyễn Viết Trung, Trần Việt Hùng, “Kết cấu ống thép nhồi bê tông” , NXB Xây dựng, Hà Nội - 2006; A.I Kikin, R S Sanzharovski, V A Trull, “Kết cấu ống thép nhồi bê tông”, NXB Xây dựng, Hà Nội - 1999; Đỗ Minh Dũng, “Tính toán cấu kiện thép nhồi bê tông tác dụng lực dọc trục mô men uốn”, Thông tin Khảo sát Thiết kế - Số 3/2005; 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 - Trường ĐH Bách Khoa TP Hồ Chí Minh; Nguyễn Ngọc Long, “Phân tích tónh động Cầu Vòm ống thép nhồi bê tông”, Luận văn thạc só - Trường ĐH Bách Khoa TP Hồ Chí Minh ; 10 “Đề tài thiết kế cầu vòm ống thép nhồi bê tông Đôàng Trù”ø, Nguyễn Trung Hồng, Trần Quốc Bảo nhóm thiết kế; 11 Quy trình thiết kế cầu cống theo trạng thái giới hạn 22TCN 18-79, Nhà xuất giao thông vận tải, Hà Nội 1979; 12 Quy trình thiết kế 22TCN 272-05, Nhà xuất giao thông vận tải, Hà Nội 2005; 102 PHỤ LỤC 103 Phụ lục Hình 1: Mô hình không gian cầu vòm (với chiều cao vòm f=9.7m) Hình 2: Mô hình không gian cầu vòm (với chiều cao vòm f=14.7m) Hình 3: Mô hình không gian cầu vòm (với chiều cao vòm f=19.7m) 104 Phụ lục (Nội lực cầu vòm với f=9.7m với trường hợp tổ hợp strength1-1_min) Hình 4: Lực dọc N (với chiều cao vòm f=9.7m) Hình 5: Lực cắt Qz (với chiều cao vòm f=9.7m) Hình 6: Môment My (với chiều cao vòm f=9.7m) 105 Phụ lục (Nội lực cầu vòm với f=9.7m với trường hợp tổ hợp strength1-1_max) Hình 7: Lực dọc N (với chiều cao vòm f=9.7m) Hình 8: Lực cắt Qz (với chiều cao vòm f=9.7m) Hình 9: Môment My (với chiều cao vòm f=9.7m) 106 Phụ lục (Nội lực cầu vòm với f=14.7m với trường hợp tổ hợp strength1-1_min) Hình 10: Lực dọc N (với chiều cao vòm f=14.7m) Hình 11: Lực cắt Qz (với chiều cao vòm f=14.7m) Hình 12: Môment My (với chiều cao vòm f=14.7m) 107 Phụ lục (Nội lực cầu vòm với f=9.7m với trường hợp tổ hợp strength1-1_max) Hình 13: Lực dọc N (với chiều cao vòm f=14.7m) Hình 14: Lực cắt Qz (với chiều cao vòm f=14.7m) Hình 15: Môment My (với chiều cao vòm f=14.7m) 108 Phụ lục (Nội lực cầu vòm với f=19.7m với trường hợp tổ hợp strength1-1_min) Hình 16: Lực dọc N (với chiều cao vòm f=19.7m) Hình 17: Lực cắt Qz (với chiều cao vòm f=19.7m) Hình 18: Môment My (với chiều cao vòm f=19.7m) 109 Phụ lục (Nội lực cầu vòm với f=19.7m với trường hợp tổ hợp strength1-1_max) Hình 19: Lực dọc N (với chiều cao vòm f=19.7m) Hình 20: Lực cắt Qz (với chiều cao vòm f=19.7m) Hình 21: Môment My (với chiều cao vòm f=19.7m) 110 Phụ lục (Tổ hợp nội lực) TỔ HP SỬ DỤNG: 1.1 Sử dụng 1: DC+DW+LL+IM+BR+PL+0.3WS+PT 1.2 Sử dụng 2: DC+DW+0.8(LL+IM+BR+PL)+PT TỔ HP CƯỜNG ĐỘ: 2.1 Cường độ I-1: 1.25DC+1.5DW+1.75(LL+IM+BR+PL)+ PT 2.2 Cường độ I-2: 0.9DC+0.65DW+1.35(LL+IM+BR+PL)+ PT 2.3 Cường độ II-1: 1.25DC+1.5DW+1.35(LL+IM+BR+PL)+ PT+0.4WS+WL 2.4 Cường độ II-2: 0.9DC+0.65DW+1.35(LL+IM+BR+PL)+ PT+0.4WS+WL 2.5 Cường độ III: 0.9DC+0.65DW+ 1.4WS+PT 2.6 Cường độ IV: 1.5DC+1.5DW+PL TỔ HP ĐẶC BIỆT: 3.1 Đặc biệt I-x: 0.9DC+0.65DW+0.5(LL+IM+BR+PL)+ PT+EQX+0,3EQY 3.2 Đặc biệt I-y: 0.9DC+0.65DW+0.5(LL+IM+BR+PL)+ PT+0.3EQX+EQY 111 LÝ LỊCH TRÍCH NGANG I TÓM TẮT - Họ tên: Nguyễn Nhật Nguyên - Phái: Nam - Sinh ngày : 24/04/1978 - Nơi sinh : Quảng Nam II ĐỊA CHỈ LIÊN LẠC - Nhà thuê : 76/9Q Xuân Diệu, Phường 4, Quận Tân Bình, Tp.HCM Điện thoại: 0938606494 - Cơ quan : Công tác Công ty UIC (ARCHITECTURE DESIGN) Lầu 9, 19A Cộng Hòa, Quận Tân Bình, Tp.HCM III QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO Năm 1996 – 2001 : Sinh viên trường Đại học Bách Khoa TP.Hồ Chí Minh Tốt nghiệp đại học : năm 2001 Hệ: Chính quy Trường : Đại học Bách Khoa TP.Hồ Chí Minh Chuyên ngành : Xây dựng Cầu Đường Năm 2004 : Trúng tuyển cao học Khóa 15 (K15) Mã số học viên : 00104022 112 IV QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC - Từ đầu năm 2001 – đến tháng 04 năm 2004 : công tác Công ty Tư Vấn xây dựng Sino Pacific - Tham gia giám sát thi công công trình sau : + Dự án Đại Lộ Nguyễn văn Linh (tham gia thi công giám sát 03 cầu Ông Lớn, Xóm củi Cần Giuộc) - Từ tháng 04 năm 2004– đến tháng 12 năm 2006 : công tác Trung tâm cầu đường phía Nam (vibroce south) - Từ đầu năm 2007 – đến : Công tác Coâng ty UIC (ARCHITECTURE DESIGN) ... ảnh hưởng đến nội lực biến dạng cầu vòm ống thép nhồi bê tông có xe chạy tiết diện vành vòm chiều cao vòm Như nêu mục 1, chưa có tiêu chuẩn tài liệu hướng dẫn thiết kế cầu vòm ống thép nhồi bê tông, ... ảnh hưởng tiết diện chiều cao vòm đến nội lực kết cấu cầu vòm ống thép nhồi bê tông Trong chương phân tích tính toán cho ba sơ đồ cầu vòm có phương trình vành vòm dạng parabol bậc với chiều cao. .. NGHIÊN CỨU MỨC ĐỘ ẢNH HƯỞNG CỦA TIẾT DIỆN VÀ CHIỀU CAO VÒM ĐẾN NỘI LỰC TRONG CẦU VÒM ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG 3.1 Các quy định cấu tạo vành vòm 28 3.1.1 Kích thước mặt cắt ngang cầu dùng để phân