MỞ ĐẦU I. Tính cấp thiết của đề tài: Hiện nay tính toán và bố trí cốt thép cho trụ biên đặc biệt là trụ biên tràn xả lũ có cửa van cung vẫn là một vấn đề khó vì trạng thái chịu lực khá phức tạp. Khi tính toán kết cấu trụ biên do chỉ chịu lực đẩy lệch tâm từ một phía nên coi làm việc nhƣ một cấu kiện chịu lực với nội lực màng và nội lực tấm, bề mặt trụ biên phía có cửa van chủ yếu chịu ứng suất kéo nhƣng thay đổi thƣờng xuyên cả về phƣơng và giá trị, việc khống chế nứt tƣơng đối khó khăn. Thực tế cho thấy nhiều công trình sau một thời gian làm việc thƣờng xảy ra hiện tƣợng nứt bề mặt trụ biên phía chịu kéo dẫn tới giảm khả năng chịu lực của kết cấu.
Lựa chọn giải pháp gia cƣờng kết cấu nhƣng không làm thay đổi hình dạng và năng lực chịu tải là một vấn đề cần phải giải quyết. Giải pháp sử dụng vật liệu nhựa cốt sợi các bon (Cacbon-Fiber-Reinforced-Polymer) để gia cƣờng cấu kiện chịu ứng suất kéo đã đƣợc ứng dụng rộng rãi trong công trình xây dựng nhƣ trong gia cố dầm cầu, khung dầm nhà dân dụng…đem lại nhiều hiệu quả về cả kỹ thuật và kinh tế. Vì vậy việc nghiên cứu lựa chọn giải pháp và tính toán gia cố trụ biên tràn xả lũ trong công trình thủy bằng vật liệu CFRP có ý nghĩa khoa học và thực tiễn. Mục đích của đề tài: Nghiên cứu sử dụng tấm nhựa cốt sợi dán ngoài vùng bê tông chịu kéo để nâng cao khả năng chịu uốn của trụ biên tràn xả lũ có cửa van cung điều tiết.
Cách tiếp cận và phƣơng pháp nghiên cứu: Nghiên cứu lý thuyết tính toán kết hợp sử dụng phần mềm chuyên dụng để phân tích đánh giá sự cần thiết phải gia cố kết cấu đã có và tính hiệu quả sau khi gia cố bằng vật liệu nhựa cốt sợi các bon. Kết quả dự kiến đạt đƣợc: - Tính toán kiểm tra nứt cục bộ vùng chịu kéo trên mặt trụ biên khi chịu lực đẩy từ một phía cửa van. 2 - Đề xuất giải pháp sử dụng vật liệu CFRP gia cƣờng vùng chịu kéo để khống chế nứt cục bộ. - Căn cứ vào đặc điểm chịu lực của trụ biên, xác định phạm vi gia cố tấm CFRP.
- Phân tích khả năng chịu lực của kết cấu sau khi gia cƣờng CFRP. 3 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TRỤ BIÊN CỬA VAN CUNG VÀ VẬT LIỆU FRP 1.1 Mố trụ van cung 1.1 Đặc điểm cấu tạo Cửa van hình cung là loại cửa van có bản chắn nƣớc cong mặt trụ. Sau tấm chắn nƣớc là hệ thống dầm tựa vào càng, chân càng tựa vào trụ quay gắn vào trụ biên. Chuyển động khi nâng hoặc hạ cửa van là chuyển động quay.
Cửa van cung là loại đƣợc áp dụng khá rộng rãi, nhất là khi cửa tháo có nhịp lớn hay những nơi cần tháo nƣớc nhanh. Vật liệu làm cửa van thƣờng bằng thép. Khi trục quay của cửa van trùng với tâm bản mặt chắn nƣớc, áp lực nƣớc sẽ truyền qua càng đến trục quay. Nếu tâm quay nằm thấp hơn tâm bản mặt thì áp lực nƣớc có tác dụng ép cửa van xuống ngƣỡng làm cho đáy khít hơn, ít rò rỉ.
Song nhƣợc điểm của trƣờng hợp này là dễ gây hiện tƣợng rung động khi mở cửa van. Vì vậy thƣờng bố trí trục quay trùng với tâm cung của mặt chắn nƣớc. Ƣu điểm của cửa van cung là lực mở nhỏ, mở nhanh và dễ dàng, điều tiết lƣu lƣợng khá tốt. Trụ biên làm mỏng hơn so với cửa van phẳng vì khe van nông.
Tuy nhiên trụ biên phải làm dài để đủ kích thƣớc đặt càng van. Áp lực nƣớc tác dụng tập trung lên trụ biên (qua càng van) làm cho ứng suất khi phát sinh trong trụ biên và việc bố trí cốt thép chịu lực trở nên phức tạp. Nhất là những nơi van làm việc trong điều kiện chịu lực hai chiều. Về cấu tạo và lắp ráp van cung cũng khó khăn và phức tạp hơn cửa van phẳng.
1 Cấu tạo cửa van hình cung. 2 Cửa van hình cung trên tràn xả lũ 5 Trụ biên phân đập thành nhiều khoang để tiện bố trí cửa van và cầu công tác, cầu giao thông. Thân trụ biên dùng để đỡ lực của cửa van, cầu giao thông, tháp van, giàn van và truyền các ngoại lực xuống bệ cọc. Hình dáng và kích thƣớc trụ phải thoả mãn các yêu cầu về thuỷ lực, ổn định, độ bền và các yêu cầu về bố trí thiết bị (khe van, thiết bị đóng mở cửa van) và các kết cấu khác trên nó (xà mũ cầu, tháp van, giàn van).
Chiều cao trụ biên đƣợc quyết định bởi hình thức cửa van và máy đóng mở. Ngoài ra chiều cao trụ biên còn phụ thuộc vào cao trình cầu công tác. Chiều dài trụ biên cần đảm bảo để bố trí cầu công tác, cầu giao thông, máy đóng mở. Hình dạng trụ biên nên thiết kế sao cho nƣớc chảy qua đập tràn đƣợc thuận dòng.
Các trụ biên giáp đất có thể còn có tác dụng là đƣờng viền chống thấm vòng quanh bờ, liên kết với kết cấu nối tiếp bờ (tƣờng cánh). 3 Các hình thức trụ biên Hình 1.3 là các hình thức trụ biên, thƣờng dùng nhất là loại trụ biên b và d. Trụ biên kéo dài về phía thƣợng lƣu có thể dùng loại a (dễ thi công), loại e ít ảnh hƣởng đến khả năng tràn nƣớc nhƣng thi công phức tạp.4 thể hiện tràn xả lũ hồ chứa nƣớc Cửa Đạt –Thanh Hóa sử dụng hình thức trụ biên loại e. Lực tác dụng lên trụ biên chủ yếu áp lực nƣớc tác dụng vào mặt van cung truyền qua càng van vào gối đặt trên trụ.
Tùy thuộc hình thức và độ lớn cửa van hình cung mà lựa chọn bộ phận gối bản lề khác nhau. Hiện nay đối với cửa van hình cung thƣờng sử dụng gối bản lề có một trục quay hoặc hai trục quay vuông góc với nhau và gối đỡ kiểu nón cụt[2]. 4 Tràn xả lũ hồ Cửa Đạt – Thanh Hóa Bộ phân cố định của gối đỡ bản lề có một trục quay hoặc hai trục quay thƣờng đƣợc tì lên bộ phận tai van của trụ biên. Các tràn xả lũ của các hồ chứa nƣớc thủy lợi và các cống vùng triều có cửa van hình cung thƣờng sử dụng hình thức này.5 thể hiện tràn xả lũ hồ Núi Cốc – Thái Nguyên sử dụng tai van đỡ cửa van hình cung.
5 Tràn xả lũ hồ Núi Cốc – Thái Nguyên Để tăng chịu lực của bộ phận tai van, đối với các cửa van cung lớn, tai van thƣờng đƣợc đẩy về phía hạ lƣu của trụ biên với mục đích sử dụng thêm thanh neo ứng suất trƣớc để tăng khả năng chịu lực của tai van (xem Hình 1. Tràn xả lũ công trình thủy điện Đại Ninh cũng sử dụng hình thức gối đỡ này (Hình 1. 6 Gối đỡ bản lề cửa van đặt ở hạ lƣu trụ biên tràn xả lũ Hình 1. 7 Tràn xả lũ thủy điện Đại Ninh Ngoài ra đối với cửa van cung lớn trong các tràn xả lũ các hồ chứa nƣớc thủy điện ở Việt Nam hiện nay thƣờng sử dụng gối đỡ kiểu nón cụt đƣợc nối với nhau bằng trục xoay xuyên qua trụ biên, xem Hình 1.
8 Tràn xả lũ thủy điện Sông Ba 1.2 Bố trí thép cho trụ biên Đối với trụ biên ta cần bố trí cốt thép: theo phƣơng ngang, phƣơng đứng và cho phần tai van. Với mỗi vị trí lấy nội lực tính toán tại vùng đó để bố trí cốt thép[4]. 9 Các loại cốt thép điển hình cho trụ biên cửa van cung 9 1.1 Bố trí thép theo phương ngang và phương thẳng đứng Cốt thép theo phƣơng ngang và phƣơng đứng trong trụ biên nằm phía ngoài cùng của trụ biên chủ yếu chịu uốn do tác dụng của mô men tại gối và áp lực nƣớc khi lực tác dụng lên hai bên trụ biên không cân bằng. Ngoài ra chịu lực nén từ cầu giao thông và trọng lƣợng cửa van khi mở.
10 Sơ đồ bố trí thép đứng, thép ngang trong trụ biên 1.2 Bố trí thép tai van Kết cấu tai van đóng vai trò rất quan trọng bởi tai van phải chịu gần nhƣ toàn bộ áp lực nƣớc truyền qua cửa van, đồng thời khi cửa van vận hành áp lực nƣớc tại mỗi thời điểm khác nhau tác dụng lên tai van lại diễn biến phức tạp. Hiện nay, có 2 cách bố trí cốt thép tai van: - Một là bố trí cốt thép hình rẻ quạt, cốt thép đƣợc bố trí dựa theo sự phân bố ứng suất chính trong trụ biên. Trƣờng phái này đƣợc sử dụng rộng rãi trên thế giới bởi các nƣớc Đông Âu. Du nhập vào Việt Nam do Liên Xô đã trợ giúp kỹ thuật ở các công trình lớn của nƣớc ta trƣớc đây.
Hình thức bố trí thép theo hình rẻ quạt hƣớng tới điểm chụm là tâm của tai trụ và phù hợp với hình thức gối đỡ bản lề. - Hai là bố trí cốt thép song song theo hƣớng chịu lực chính của trụ biên, có ứng suất trƣớc hoặc không có ứng suất trƣớc. Phƣơng pháp bố trí này phổ biến ở các nƣớc Tây Âu, đặc biệt là Mỹ. Đặc điểm của phƣơng án bố trí này là các thanh thép đã chịu 10 một phần ứng suất trƣớc, do vậy khi trụ biên làm việc, phần ứng suất này đƣợc giải phóng và bù vào ứng suất trụ biên phải chịu do tải trọng.
Điều này giúp tăng hiệu quả về kinh tế và đồng thời giúp cho kích thƣớc cấu kiện bê tông không quá lớn và nặng nề, tăng tính thẩm mỹ cho công trình. Hình thức bố trí thép song song phù hợp với gối đỡ kiểu nón cụt và gối đỡ bản lề đặt ở hạ lƣu kết hợp làm thanh neo ứng suất trƣớc. 11 Bố trí thép cho tai van theo 2 phƣơng án [1] Hình 1. 12 Hình ảnh bố trí thép tai van thép PA2 [20] 11 1.3 Phương pháp tính toán cốt thép trụ biên (a) Tính toán theo phƣơng pháp đơn giản[5] Đối với bản thân kết cấu tai van, cốt thép đƣợc tính toán nhƣ dầm công xôn chịu uốn và chịu cắt.
Diện tích cốt thép chịu kéo hình rẻ quạt vùng chịu kéo cục bộ của trụ biên có thể tính toán gần đúng nhƣ sau: N Fa (1.1) 0,8R a trong đó: N – lực đẩy 1 phía của cửa van vào trụ biên Ra – cƣờng độ chịu kéo của cốt thép Bố trí cốt thép chịu kéo cục bộ của trụ biên tại vị trí tai van đƣợc cho ở hình 1.