Nghiên cứu kết cấu và công nghệ chế tạo cầu máng xi măng lưới thép ứng suất trước nhịp lớn

Luận án tiến sĩ nghiên cứu kết cấu và công nghệ chế tạo cầu máng xi măng lưới thép ứng suất trước nhịp lớn, ứng dụng hiệu quả trong xây dựng.

• Tác giả: Phạm Cao Tuyến
• Người hướng dẫn: PGS. Vũ Hoàng Hưng
• Trường học: Trường Đại học Thủy Lợi
• Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình thủy
• Đề tài: Nghiên cứu kết cấu và công nghệ chế tạo cầu máng xi măng lưới thép ứng suất trước nhịp lớn
• Loại tài liệu: Luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về cầu máng xi măng lưới thép ứng suất trước nhịp lớn

Luận án tập trung nghiên cứu cầu máng xi măng lưới thép (XMLT) ứng dụng trong công trình thủy lợi. Cầu máng ứng suất trước được xem là giải pháp kỹ thuật tiên tiến, giúp tăng khả năng chịu lực và độ bền của kết cấu. Công nghệ chế tạo cầu máng bao gồm các phương pháp như căng trước và căng sau, nhằm tạo ra ứng suất nén trong bê tông trước khi chịu tải trọng. Kết cấu cầu máng thường có mặt cắt ngang hình chữ U, phù hợp với yêu cầu dẫn nước và chịu lực. Cầu nhịp lớn đòi hỏi tính toán kỹ lưỡng về tải trọng và biến dạng để đảm bảo an toàn và hiệu quả.

1.1. Khái quát về cầu máng xi măng lưới thép

Cầu máng xi măng lưới thép là kết cấu phổ biến trong công trình thủy lợi, sử dụng vật liệu xi măng lưới thép để tăng độ bền và khả năng chịu lực. Kết cấu bê tông được gia cố bằng lưới thép mỏng, tạo ra vật liệu đồng nhất có tính dẻo và đàn hồi cao. Công nghệ xây dựng cầu bao gồm các phương pháp như trát tay, phun vữa, và rung trên bàn rung, giúp đảm bảo chất lượng và độ chính xác của kết cấu.

1.2. Phương pháp tạo ứng suất trước

Ứng suất trước trong xây dựng là kỹ thuật quan trọng giúp tăng khả năng chịu lực của cầu bê tông ứng suất trước. Phương pháp căng trước và căng sau được sử dụng để tạo ra ứng suất nén trong bê tông trước khi chịu tải trọng. Tính toán ứng suất bao gồm xác định ứng suất kéo trước giới hạn và tổn hao ứng suất trước, đảm bảo kết cấu hoạt động hiệu quả trong thời gian dài.

II. Nghiên cứu trạng thái ứng suất và biến dạng cầu máng xi măng lưới thép ứng suất trước nhịp lớn

Luận án sử dụng phần mềm ANSYS với ngôn ngữ lập trình APDL để mô phỏng và tính toán trạng thái ứng suất và biến dạng của cầu máng xi măng lưới thép ứng suất trước. Kết cấu cầu máng được mô hình hóa với mặt cắt ngang hình chữ U, phù hợp với yêu cầu dẫn nước và chịu lực. Kết quả tính toán cho thấy sự phân bố ứng suất và chuyển vị của cầu máng dưới tác dụng của các loại tải trọng khác nhau.

2.1. Mô hình hóa kết cấu cầu máng

Mô hình hóa kết cấu cầu máng được thực hiện bằng phần mềm ANSYS, sử dụng ngôn ngữ lập trình APDL. Kết cấu cầu máng có mặt cắt ngang hình chữ U, được mô phỏng với các thông số kỹ thuật chi tiết. Tính toán chuyển vị và ứng suất được thực hiện để đánh giá hiệu quả của kết cấu dưới tác dụng của tải trọng.

2.2. Kết quả tính toán và nhận xét

Kết quả tính toán cho thấy sự phân bố ứng suất và chuyển vị của cầu máng xi măng lưới thép ứng suất trước và cầu máng thường. Chuyển vị đứng và ứng suất dọc được phân tích chi tiết, giúp đánh giá độ tin cậy của kết cấu. Nhận xét kết quả chỉ ra rằng cầu máng ứng suất trước có khả năng chịu lực tốt hơn so với cầu máng thường.

III. Nghiên cứu công nghệ chế tạo cầu máng xi măng lưới thép nhịp lớn bằng phương pháp rung áp ván khuôn

Luận án đề xuất phương pháp rung áp ván khuôn để chế tạo cầu máng xi măng lưới thép nhịp lớn. Công nghệ chế tạo này giúp đảm bảo chất lượng và độ chính xác của kết cấu. Phạm vi ảnh hưởng của máy rung được xác định để tối ưu hóa quá trình thi công. Kết quả thực nghiệm cho thấy phương pháp này mang lại hiệu quả cao trong việc chế tạo cầu máng.

3.1. Xác định vùng ảnh hưởng của máy rung

Phạm vi ảnh hưởng của máy rung được xác định thông qua mô hình động lực học. Kết quả tính toán cho thấy sự phân bố chuyển vị và biên độ dao động của ván khuôn dưới tác dụng của lực kích động. Nhận xét chỉ ra rằng việc bố trí máy rung hợp lý giúp tăng hiệu quả thi công.

3.2. Kết quả thực nghiệm và kiến nghị

Kết quả thực nghiệm tại hiện trường cho thấy phương pháp rung áp ván khuôn mang lại hiệu quả cao trong việc chế tạo cầu máng xi măng lưới thép. Kiến nghị được đưa ra nhằm tối ưu hóa quá trình thi công và nâng cao chất lượng kết cấu.

IV. Nghiên cứu thực nghiệm tại hiện trường ứng suất và biến dạng cầu máng xi măng lưới thép ứng suất trước nhịp lớn

Luận án tiến hành nghiên cứu thực nghiệm tại hiện trường để đánh giá ứng suất và biến dạng của cầu máng xi măng lưới thép ứng suất trước nhịp lớn. Kết quả thực nghiệm cho thấy sự phân bố ứng suất và chuyển vị của cầu máng dưới tác dụng của tải trọng. Nhận xét chỉ ra rằng kết cấu đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật và an toàn trong quá trình vận hành.

4.1. Thiết kế và chế tạo mẫu thí nghiệm

Mẫu thí nghiệm được thiết kế và chế tạo với các thông số kỹ thuật chi tiết. Thí nghiệm kéo được thực hiện để đánh giá tính chất cơ lý của vật liệu xi măng lưới thép. Kết quả thí nghiệm cho thấy vật liệu có độ bền và tính dẻo cao, phù hợp với yêu cầu kỹ thuật.

4.2. Kết quả thực nghiệm và đánh giá

Kết quả thực nghiệm tại hiện trường cho thấy sự phân bố ứng suất và chuyển vị của cầu máng xi măng lưới thép ứng suất trước. Đánh giá chỉ ra rằng kết cấu đáp ứng được yêu cầu kỹ thuật và an toàn trong quá trình vận hành.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CẦU MÁNG XI MĂNG LƯỚI THÉP ỨNG SUẤT TRƯỚC NHỊP LỚN 1. Tổng quan về cầu máng xi măng lưới thép 1. Khái quát chung Cũng giống như cầu máng BTCT, CM-XMLT cũng là một loại công trình dẫn nước thường được dùng khi các tuyến kênh dẫn nước cần phải vượt qua các vùng địa hình bị chia cắt như: sông, suối, thung lũng, kênh rạch, vùng đất trũng… hoặc thay thế cho một đoạn kênh qua vùng đất thấm nước nhiều. CM-XMLT gồm các bộ phận chính: cửa vào, cửa ra, thân máng, trụ đỡ (hình 1.

Việc bố trí và thiết kế cửa vào, cửa ra, tính toán thuỷ lực trong máng, tính toán dòng chảy tại cửa vào cửa ra, các biện pháp chống thấm, chống xói lở, tránh lắng đọng bùn cát… trong luận án này sẽ không đề cập đến. Luận án chủ yếu đi sâu vào các phần nghiên cứu nội lực kết cấu thân máng XMLT. Sơ đồ kết cấu cầu máng 1. Mố biên trọng lực; 3.

Trụ đỡ khung kép; 5. Khe co giãn; 8. Mặt đất tự nhiên Kết cấu thân máng được phân thành hai loại: kiểu dầm và kiểu vòm, thông thường dùng kiểu dầm. Thân máng kiểu dầm có đặc điểm chịu lực như một dầm có gối đỡ là các trụ giữa và mố biên.

Tuỳ theo vị trí các gối tựa và vị trí các khớp nối, thân máng kiểu dầm lại được phân thành hai loại: loại dầm đơn, loại dầm một nhịp có mút thừa hoặc dầm liên tục. Đối với cầu máng BTCT chủ yếu sử dụng nhịp kiểu dầm đơn thường không vượt quá 10 m, và nhịp cầu máng kiểu mút thừa (khoảng cách giữa hai gối đỡ) thường 7 không quá 25 m. Với CM-XMLT thường chỉ sử dụng nhịp kiểu dầm đơn với chiều dài không quá 6 m. Do đó cần phải nghiên cứu thêm các hình thức kết cấu thân máng để có thể tăng chiều dài nhịp máng, giảm trọng lượng bản thân, tiết kiệm vật liệu.

Các hình dạng kết cấu cầu máng xi măng lưới thép 1. Các hình dạng kết cấu thân máng Thân máng XMLT có hình dạng vỏ trụ mỏng, mặt cắt ngang của thân máng có thể là hình chữ nhật, hình thang, hình chữ U, hình parabol… (hình 1. Chọn hình thức mặt cắt thân máng phải dựa vào tính toán thủy lực, vật liệu làm cầu máng, phương pháp thi công, hình thức kết cấu trụ đỡ, đoạn nối tiếp cửa vào, cửa ra. Hình thức mặt cắt thân máng thường dùng là hình chữ nhật, hình thang và hình chữ U.

Hình dạng mặt cắt thân máng a. Hình chữ nhật; b. Hình parabôn Cầu máng mặt cắt chữ nhật và hình thang có cấu tạo đơn giản, dễ thi công, dễ nối tiếp với đoạn cửa vào và cửa ra. Cầu máng chữ U có trạng thái thủy lực tốt hơn cầu máng hình chữ nhật, khả năng chịu lực của cầu máng chữ U cũng tốt hơn, trọng lượng của cầu máng này khá nhẹ, nên rất thuận tiện cho việc đúc sẵn và lắp ghép.

Các mặt cắt khác ít dùng vì tính toán và thi công khá phức tạp. Cầu máng vỏ trụ mỏng có khả năng chịu lực theo phương dọc lớn hơn nhiều phương ngang. Khi trên kênh không có yêu cầu về vận tải thủy, để tăng thêm độ cứng của phương ngang, tăng độ ổn định tổng thể và cục bộ của máng, thường bố trí các thanh giằng ngang và các sườn gia cường dọc (tai máng). Khi có yêu cầu về vận tải thủy không thể bố trí các thanh giằng ngang, thì cần bố trí các sườn gia cường ngang hoặc tăng thêm chiều dày thành máng (hình 1.

Luận án đi sâu nghiên cứu cho loại mặt cắt ngang thân máng XMLT có dạng chữ U. Sườn ngang Hình 1. Cấu tạo thân máng 1. Thân máng có mặt cắt ngang hình chữ U Hình dạng máng chữ U thường dùng hiện nay có đáy là nửa hình tròn, có thêm hai thành bên thẳng đứng (hình 1.

Máng chữ U được sử dụng nhiều vì nó có các ưu điểm: trạng thái thủy lực tốt, độ cứng theo phương dọc lớn, dễ thi công. Để tăng độ cứng theo phương ngang và phương dọc, thân máng thường được gia cường bằng các sườn dọc (tai máng), bằng các sườn ngang (đai máng) và các thanh giằng ngang. Máng chữ U được phân thành hai loại: không có thanh giằng ngang (hình 1.4a) và loại có thanh giằng ngang (hình 1. Sơ bộ kích thước tiết diện thân máng có thể tham khảo các số liệu dưới đây: - Bề dày của thành máng t = (1/15÷1/25)Ro, thường chọn t = (3÷6) cm - Chiều cao đoạn thẳng đứng của thành máng f = (0,1÷0,3)Do trong đó: Do=2Ro là đường kính trong của lòng máng - Kích thước tai máng thường chọn như sau: a = (1,5÷2,5)t; b = (1÷2)t; c = (1÷2)t - Chiều cao thành máng: H = Hn + ∆H (m) trong đó: Hn là chiều sâu cột nước tính toán, ∆H = (0,2÷0,5) m là độ cao vượt an toàn - Tỷ số H/L < (1/15÷1/20) và H/Do <1 - Mặt cắt thanh giằng có chiều cao hg = (10÷20) cm, bề rộng bg = (8÷15) cm 9 - Sườn ngang tại vị trí gối tựa có kích thước lớn hơn sườn ngang ở trong nhịp, đường viền ngoài thường có dạng gấp khúc tạo thành gối tựa cho thân máng - Để đảm bảo điều kiện chống nứt theo phương ngang, đoạn cong ở đáy máng thường làm dày hơn, kích thước phần này có thể lấy như sau: to = (1,0÷1,5)t; do = (0,5÷0,6)Ro; So = (0,3÷0,4)Ro (a) (b) Hình 1.

Hình dạng kết cấu thân máng XMLT chữ U a. Máng không có thanh giằng ngang; b. Máng có thanh giằng ngang 1. Hình dạng kết cấu gối đỡ Gối đỡ thân máng gồm có gối đỡ mố biên và gối đỡ trụ giữa (hình 1.

Mố biên ngoài tác dụng là gối đỡ thân máng nó còn là liên kết nối tiếp đầu máng với đoạn cửa vào, cửa ra của kênh dẫn, còn trụ giữa chỉ có chức năng là đỡ thân máng. Thiết bị thoát nước. Mặt đất Hình 1. Cấu tạo mố biên 10 Trụ giữa kiểu trọng lực có thể bằng gạch xây, bằng đá xây hoặc bê tông, thường dùng cho những trụ có chiều cao dưới 10 m, trọng lượng bản thân của trụ kiểu trọng lực thường rất lớn, do đó đòi hỏi nền phải có sức chịu tải cao (hình 1.

Trụ đỡ kiểu khung có hai loại: khung đơn (hình 1.6b) và khung kép (hình 1.6c) thường dùng cho các trụ cao dưới 20 m. Kiểu hỗn hợp có phần dưới kiểu trọng lực, còn phần trên kiểu khung, chiều cao của trụ hỗn hợp có thể đến 25 m (hình 1. Móng của mố trụ có thể đặt trực tiếp trên nền tự nhiên, khi nền yếu có thể đặt trên nền cọc. Các loại mố trụ giữa cầu máng a.

Trụ kiểu trọng lực; b. Trụ kiểu khung kép; d. Trụ kiểu hỗn hợp 1. Hình thức kết cấu khe co giãn Giữa các đoạn trong thân máng cần phải bố trí khe co giãn, khoảng cách giữa các khe co giãn từ (12÷20) m.

Vật liệu làm khe co giãn vừa có tính co giãn, vừa có khả năng chống rò rỉ nước (hình 1. 15÷20cm 2 20÷25cm 2 1 15÷20cm 6÷8 6÷8 6÷8 6÷8 5 4 4 4÷5 4÷5 3 1. Tấm cao su hay chất dẻo; 2. Vữa cát nhựa đường; 3.

Dây đay tẩm nhựa đường; 4. Vải tẩm nhựa đường hay sợi vải thuỷ tinh tẩm nhựa đường (6 lớp); 5. Vữa cát êpôxy dày 2mm Hình 1. Các loại khe co giãn thường dùng 11 1.

Phương pháp tính toán cầu máng xi măng lưới thép 1. Tải trọng và tổ hợp tải trọng Tải trọng tác dụng lên cầu máng gồm có: - Trọng lượng bản thân cầu máng. - Áp lực nước ứng với mực nước thiết kế và mực nước kiểm tra được thể hiện ở hình 1. Sơ đồ áp lực nước - Tải trọng người qua lại trên cầu máng thường lấy 2,5 kN/m2.

- Áp lực gió ở độ cao z so với mốc chuẩn, xác định theo công thức: W = Wo.c (kN/m2) (1-1) trong đó: Wo – áp lực gió cơ bản lấy theo bản đồ phân vùng lực gió (kN/m2); k – hệ số xét tới sự thay đổi áp lực gió theo độ cao; c – hệ số khí động. - Lực ma sát ở gối đỡ: lực ma sát xuất hiện theo phương dọc máng tác dụng lên trụ khi thân máng bị co ngót hay dãn nở do nhiệt độ thay đổi được tính theo công thức: T = G.f (kN) (1-2) trong đó: G – áp lực tác dụng lên gối đỡ (kN); f – hệ số ma sát giữa thân máng và gối đỡ. 12 - Áp lực thủy động: Áp lực thủy động tác dụng lên một đơn vị diện tích trụ được tính theo công thức (1-3) và có điểm đặt của hợp lực ở 2/3 độ sâu mực nước thiết kế: γ.v 2 P = k1 (kN/m2) (1-3) 2g trong đó: v - vận tốc dòng chảy tính toán (m/s); γ - trọng lượng riêng của nước (kN/m3); g - gia tốc trọng trường (g=9,81 m/s2); k1 - hệ số phụ thuộc vào hình dạng của trụ. - Các tải trọng khác: động đất, tải trọng cẩu lắp, lực va chạm của vật nổi, các lực này thì tùy trường hợp cụ thể mà xét.

Tổ hợp tải trọng: Phân tích nội lực và tính toán cốt thép thân máng XMLT được tiến hành với các tổ hợp tải trọng cơ bản (trọng lượng bản thân máng + tải trọng người qua lại + trọng lượng nước ứng với độ sâu mực nước thiết kế) và kiểm tra với tổ hợp tải trọng đặc biệt (trọng lượng bản thân máng + tải trọng người qua lại + trọng lượng nước ứng với độ sâu mực nước kiểm tra + tải trọng gió). Phân tích nội lực kết cấu thân máng xi măng lưới thép Thân máng là một kết cấu vỏ mỏng không gian, thường được gia cường bằng các sườn dọc, sườn ngang và thanh giằng, do đó việc phân tích nội lực thân máng trên cơ sở các phương trình vi phân cơ bản của lý thuyết vỏ mỏng không gian để tìm lời giải chính xác thì hầu như không thể thực hiện được, mà chỉ có thể dùng các phương pháp số để tìm lời giải gần đúng, như phương pháp sai phân hữu hạn, phương pháp PTHH. Đối với các cầu máng lớn và trung bình thì thiết kế đòi hỏi nội lực có độ chính xác cao, cần phân tích nội lực thân máng theo bài toán vỏ mỏng không gian. Tốt nhất là dùng phương pháp phần tử hữu hạn và giải theo chuyển vị, hiện nay có nhiều phần mềm mạnh cho phép phân tích các kết cấu vỏ có dạng bất kỳ và chịu tải trọng tuỳ ý như SAP2000 hay ANSYS, song đòi hỏi người sử dụng phải có hiểu biết nhất định về lý thuyết vỏ mỏng và phương pháp phần tử hữu hạn.