Luận Văn Thạc Sĩ Kỹ Thuật Xây Dựng: Nghiên Cứu Dầm Ống Thép Nhồi Bê Tông CFT

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật xây dựng nghiên cứu ứng dụng dầm ống thép nhồi bê tông CFT trong công trình hiện đại, đảm bảo độ bền và hiệu quả.

• Tác giả: Nguyễn Quốc Tiến
• Người hướng dẫn: TS. Đặng Đăng Tùng
• Trường học: Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Xây dựng cầu hầm
• Đề tài: Nghiên cứu cầu dầm ống thép nhồi bê tông (CFT)
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu và mục tiêu nghiên cứu

Luận văn thạc sĩ này tập trung vào kỹ thuật xây dựng dầm ống thép nhồi bê tông (CFT), một kết cấu hỗn hợp kết hợp thép và bê tông. Mục tiêu chính là nghiên cứu cơ chế làm việc của dầm CFT, so sánh với dầm thép truyền thống, và đề xuất giải pháp thiết kế và thi công hiệu quả. Kỹ thuật kết cấu này được ứng dụng rộng rãi trong xây dựng cầu, đặc biệt ở các nước phát triển như Mỹ, Nhật, và Hàn Quốc. Tại Việt Nam, dù chưa phổ biến, nhưng với sự phát triển của công nghệ xây dựng hiện đại, dầm CFT có tiềm năng lớn trong tương lai.

1.1. Tính cấp thiết của đề tài

Trong bối cảnh kỹ thuật xây dựng hiện đại, việc nghiên cứu dầm ống thép nhồi bê tông (CFT) là cần thiết để tối ưu hóa kết cấu thép và bê tông cốt thép. Dầm CFT kết hợp ưu điểm của cả hai vật liệu, tăng độ cứng, khả năng chịu lực, và độ dẻo. Tuy nhiên, tại Việt Nam, kỹ thuật dầm này chưa được áp dụng rộng rãi do thiếu nghiên cứu và kinh nghiệm thực tiễn. Đề tài này nhằm lấp đầy khoảng trống đó, cung cấp cơ sở khoa học và thực tiễn cho việc ứng dụng dầm CFT trong xây dựng cầu.

1.2. Mục đích nghiên cứu

Mục đích chính của luận văn thạc sĩ là phân tích cơ chế làm việc của dầm ống thép nhồi bê tông (CFT), so sánh với dầm thép truyền thống, và đề xuất giải pháp thiết kế hiệu quả. Nghiên cứu sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để mô phỏng và phân tích kết cấu hỗn hợp, từ đó đưa ra các kiến nghị cụ thể cho việc ứng dụng dầm CFT trong thực tế.

II. Tổng quan về kết cấu ống thép nhồi bê tông

Kết cấu ống thép nhồi bê tông (CFT) là một kết cấu hỗn hợp kết hợp thép và bê tông, tận dụng ưu điểm của cả hai vật liệu. Thép cung cấp độ dẻo và khả năng chịu lực kéo, trong khi bê tông tăng cường độ cứng và khả năng chịu nén. Kỹ thuật xây dựng này được ứng dụng rộng rãi trong các công trình cầu, cột, và móng sâu. Đặc biệt, dầm CFT có khả năng chịu uốn tốt, phù hợp với các công trình cầu nhịp lớn.

2.1. Đặc điểm chịu lực của CFT

Kết cấu ống thép nhồi bê tông (CFT) có khả năng chịu lực vượt trội nhờ sự tương tác giữa thép và bê tông. Thép bảo vệ bê tông khỏi các tác động bên ngoài, trong khi bê tông tăng cường độ cứng và ổn định cho thép. Sự kết hợp này tạo ra một kết cấu hỗn hợp có độ dẻo cao, khả năng chịu tải trọng lớn, và khả năng chống cháy tốt.

2.2. Ứng xử cơ học của CFT

Ứng xử cơ học của ống thép nhồi bê tông (CFT) phụ thuộc vào sự tương tác giữa thép và bê tông. Các yếu tố như hệ số Poisson, độ bám dính, và ma sát giữa hai vật liệu đóng vai trò quan trọng trong việc xác định khả năng chịu lực của kết cấu hỗn hợp. Nghiên cứu thực nghiệm và mô phỏng số đã chứng minh rằng dầm CFT có độ dẻo và khả năng chịu uốn tốt hơn so với dầm thép truyền thống.

III. Phương pháp nghiên cứu và kết quả

Nghiên cứu sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để mô phỏng và phân tích kết cấu dầm ống thép nhồi bê tông (CFT). Các mô hình số được xây dựng để mô phỏng ứng xử uốn của dầm CFT, và kết quả được so sánh với dữ liệu thực nghiệm. Kết quả cho thấy dầm CFT có độ dẻo và khả năng chịu lực tốt hơn so với dầm thép truyền thống, chứng minh tiềm năng ứng dụng của kỹ thuật xây dựng này trong thực tế.

3.1. Mô hình phần tử hữu hạn

Mô hình phần tử hữu hạn được sử dụng để mô phỏng ứng xử uốn của dầm ống thép nhồi bê tông (CFT). Các yếu tố như hiệu ứng kiềm chế, tiếp xúc, và tác động liên hợp được xem xét trong mô hình. Kết quả mô phỏng được so sánh với dữ liệu thực nghiệm, cho thấy sự tương đồng cao giữa hai phương pháp.

3.2. So sánh với dầm thép truyền thống

Kết quả nghiên cứu cho thấy dầm ống thép nhồi bê tông (CFT) có độ dẻo và khả năng chịu lực tốt hơn so với dầm thép truyền thống. Điều này chứng minh tiềm năng ứng dụng của kỹ thuật xây dựng này trong các công trình cầu, đặc biệt là những công trình yêu cầu độ bền và độ dẻo cao.

IV. Kết luận và kiến nghị

Luận văn thạc sĩ đã chứng minh tiềm năng ứng dụng của dầm ống thép nhồi bê tông (CFT) trong kỹ thuật xây dựng hiện đại. Dầm CFT kết hợp ưu điểm của thép và bê tông, tạo ra một kết cấu hỗn hợp có độ dẻo và khả năng chịu lực vượt trội. Nghiên cứu đề xuất các giải pháp thiết kế và thi công hiệu quả, mở ra hướng phát triển mới cho ngành xây dựng cầu tại Việt Nam.

4.1. Kết luận

Nghiên cứu đã chứng minh rằng dầm ống thép nhồi bê tông (CFT) có độ dẻo và khả năng chịu lực tốt hơn so với dầm thép truyền thống. Điều này khẳng định tiềm năng ứng dụng của kỹ thuật xây dựng này trong các công trình cầu, đặc biệt là những công trình yêu cầu độ bền và độ dẻo cao.

4.2. Kiến nghị

Để ứng dụng rộng rãi dầm ống thép nhồi bê tông (CFT) tại Việt Nam, cần có thêm nghiên cứu và thử nghiệm thực tế. Các giải pháp thiết kế và thi công cần được tối ưu hóa để phù hợp với điều kiện địa lý và kinh tế của Việt Nam.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CẦU THÉP - BÊ TÔNG CỐT THÉP LIÊN HỢP VÀ KẾT CẤU ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG 1. TỔNG QUAN VỀ CẦU THÉP – BÊ TÔNG CỐT THÉP LIÊN HỢP 1. Sự xuất hiện và phát triển kết cấu nhịp thép BTCT liên hợp Kết cấu nhịp thép BTCT liên hợp là một trong những dạng kết cấu cầu được sử dụng khá phổ biến trên nhiều nước trong cầu ô tô và cả trong cầu đường sắt. Đó là kết cấu làm từ vật liệu thép và BTCT được liên kết chặt chẽ với nhau để cùng tham gia chịu lực.

Vật liệu thép ở đây thường là các loại thép hình, vật liệu BTCT có thể là BTCT thường hoặc BTCT ứng suất trước. Kết cấu nhịp thép BTCT liên hợp hay gặp nhất dưới dạng dầm thép liên kết với bản BTCT mặt cầu. Dầm có thể làm dưới dạng dầm giản đơn khi nhịp nhỏ và vừa, hoặc liên tục khi nhịp lớn. Kết cấu nhịp có các dạng thức khác nhau như dàn, khung, vòm.

Có thể xem kết cấu nhịp thép BTCT liên hợp là loại trung gian giữa kết cấu nhịp thép và nhịp BTCT. Phân tích sự phát triển kỹ thuật của ngành xây dựng cầu cho thấy kết cấu nhịp thép BTCT liên hợp được ra đời từ ba xu hướng sau đây: Sự ứng dụng ngày càng rộng rãi BTCT nhằm tiết kiệm thép. Sự hoàn chỉnh phần mặt cầu, dùng mặt cầu bản BTCT có chất lượng tốt và tuổi thọ cao. Sự cố gắng tạo kết cấu nhịp thành một kết cấu không gian làm việc như một kết cấu toàn khối thống nhất chứ không phải là lắp ghép các kết cấu phẳng làm việc riêng rẽ.

So với dầm thép và dầm BTCT, dầm thép – BTCT liên hợp có những ưu điểm nổi bật sau: Nhẹ hơn dầm BTCT; - 4- Khắc phục nhược điểm của dầm thép là giá thành cao, biến dạng lớn, rất nhạy cảm với tải trọng động; Thuận tiện cho cơ giới hóa thi công. Công tác lắp đặt điện nước và hoàn thiện không phải chờ dỡ cốp pha như sàn BTCT toàn khối, nên cho phép rút ngắn thời gian thi công, sớm đưa công trình vào sử dụng. Do vậy, dù vật liệu đắt hơn BTCT, nhưng tổng giá thành công trình có thể rẻ hơn; Có khả năng thi công với độ chính xác cao, chất lượng thi công được kiểm soát chặt chẽ, giảm thất thoát vật liệu và giảm nhân công; [1] 1. Giới thiệu cầu thép – bê tông liên hợp trên thế giới và trong nước Trên thế giới, đặc biệt ở các nước có ngành công nghiệp luyện kim phát triển, cầu dầm thép BTCT liên hợp được xây dựng khá phổ biến.

Ở Việt Nam, lịch sử phát triển của cầu thép trải qua nhiều giai đoạn. Ở miền Bắc chủ yếu xây dựng các cầu giàn thép, cầu dầm thép chỉ xây dựng được một số cầu như cầu Đò Quan ở Nam Định…Ở miền Nam trong khoảng những năm từ 1960~1975, Mỹ đã xây dựng một số cầu dầm thép BTCT liên hợp nhịp liên tục như cầu Đồng Nai, Sài Gòn, Bến Lức, Tân An…Tuy nhiên, do ngành công nghiệp luyện kim và cán thép của Việt Nam chậm phát triển nên cầu thép ngày càng ít được xây dựng. Phân loại cầu thép – bê tông liên hợp Trong kết cấu nhịp thép BTCT liên hợp, tỷ lệ giữa phần BTCT và phần thép có thể khác nhau. Xuất phát từ đó, người ta phân chia mức độ của phần BTCT trong kết cấu nhịp thép BTCT liên hợp làm hai loại: Loại thứ nhất: những kết cấu nhịp chỉ có phần bản mặt cầu bằng BTCT, còn các bộ phận khác hoàn toàn là thép.

Trường hợp này, kết cấu nhịp gần với kết cấu nhịp thép đơn thuần. Dầm hoặc dàn cầu đi trên có bản mặt cầu BTCT liên hợp với dầm hoặc dàn chủ; - 5- Kết cấu nhịp đi dưới hoặc đi giữa có bản BTCT mặt cầu liên hợp với hệ dầm mặt cầu, và hệ dầm mặt cầu này có thể cùng tham gia chịu lực với dàn chủ hoặc không; Kết cấu nhịp đi dưới hoặc đi giữa có hệ mặt cầu hoàn toàn bằng BTCT và thường cùng tham gia làm việc với dàn chủ.… Loại thứ hai: những kết cấu nhịp không những có phần mặt cầu mà có cả những bộ phận khác nữa làm bằng BTCT. Trường hợp này kết cấu nhịp gần với kết cấu nhịp BTCT hơn. Kết cấu nhịp cầu dầm đi trên, có bản BTCT mặt cầu ở phía trên và bản mặt BTCT ở cả biên dưới cùng tham gia chịu lực với dầm chủ; Kết cấu nhịp cầu dàn có hệ mặt cầu và dầm cứng hoặc thanh biên dưới cứng hoàn toàn bằng BTCT; Kết cấu nhịp có kết cầu mặt cầu là BTCT và một số thanh, bộ phận khác không ở mức mặt cầu cũng làm bằng BTCT.

Ngày nay, trong ngành xây dựng cầu, kết cấu nhịp dầm đặc có bản mặt cầu liên hợp hay được sử dụng hơn cả. Các loại khác ít được sử dụng. KẾT CẤU ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG 1. Khái niệm Kết cấu ống thép nhồi bê tông (concrete-filled steel tube - CFT) là kết cấu mà trong đó người ta nhồi bê tông vào trong các ống thép mỏng để hai vật liệu cùng tham gia làm việc.

Trong một số trường hợp, để phát huy khả năng làm việc của bê tông, người ta đã đưa thêm cốt thép vào kết cấu ống thép nhồi bê tông. Hệ thống kết cấu ống thép nhồi bê tông (CFT) có ưu điểm là phát huy được khả năng chịu lực của vật liệu thép và bê tông; đồng thời sự tương tác giữa hai loại vật liệu này làm tăng độ dẻo và độ ổn định của kết cấu. Thông thường hệ thống kết cấu này dùng dạng ống tròn, hoặc hình vuông, đặc điểm chung của hệ thống này có độ cứng, cường độ, khả năng chống biến dạng và khả năng chống cháy. Hệ thống này được áp dụng trong xây dựng dân dụng, công nghiệp, cầu đường.

- 6- Ưu điểm quan trọng hơn hết là kết cấu bê tông ống thép có thể tạo ra được các công trình xây dựng lớn (những cây cầu vòm vượt nhịp lớn, những tháp cao chọc trời…) mà lại có kết cấu mềm mại nhẹ nhàng thanh thoát, phù hợp với kiến trúc đô thị. Hạn chế ván khuôn trong thi công; Kết cấu ống thép nhồi bê tông có tính chịu mỏi, chịu va đập tốt hơn hẳn kết cấu BTCT thường; Khả năng vượt nhịp lớn hơn nhiều so với kết cấu BTCT thường, nhờ vào tính dẻo của kết cấu và khả năng giảm trọng lượng bản thân; Kết cấu ống thép nhồi bê tông không có cốt thép dọc và cốt thép đai do đó tiết kiệm được thời gian thi công và quá trình đầm nén bê tông cũng dễ dàng. Khi so sánh với kết cấu thép dạng ống thì kết cấu ống thép nhồi bê tông có ưu điểm: Tăng khả năng chống biến dạng của ống thép do có sự liên kết với lõi bê tông; Độ bền ăn mòn và chống gỉ của mặt trong ống thép cao hơn; Giảm độ mảnh của cấu kiện; Khả năng chịu nhiệt độ tốt hơn. Khi so sánh với kết cấu sử dụng thép hình có mặt cắt hở, kết cấu ống thép nhồi bê tông có ưu điểm: Mặt ngoài của kết cấu ống thép nhồi bê tông nhỏ hơn do đó chi phí sơn phủ và bảo dưỡng thấp hơn; Độ bền chống rỉ cao hơn; Khả năng ổn định đều hơn; Giảm được ảnh hưởng của tải trọng gió; Tăng độ cứng chống xoắn.

Đặc điểm chịu lực của ống thép nhồi bê tông Do kết cấu là ống tròn có thể cải thiện được tính chất khí động học và tính ổn định. Độ cứng chống xoắn của ống tròn cao hơn nhiều so với thanh mặt cắt - 7- hở. Các ống thép nhồi bê tông không cần sơn phủ, mạ kim loại hoặc bịt kín mặt trong của ống. Tiết diện ngang kết cấu ống thép nhồi bê tông có thể được giảm do tăng cường độ vật liệu.

Các nguyên nhân dao động kết cấu do động đất và gió có thể được giảm do nó được tăng cường độ cứng hơn kết cấu thép thông thường. Ảnh hưởng của sự cố cháy có thể được giảm hoặc bỏ qua do hiệu ứng của bê tông nhồi đặc trong ống thép. Ứng xử cơ học của ống thép nhồi bê tông Thép và bê tông được biết đến là hai loại vật liệu xây dựng với tính chất cơ học khác nhau. Sự kết hợp của hai loại vật liệu trong các cấu kiện liên hợp đã được sử dụng ngày càng tăng trong thập kỷ qua.

Sự kết hợp giữa thép và bê tông trong các cấu kiện liên hợp tạo ra cường độ tăng và độ dẻo cao. Ở góc độ cơ học, ứng xử của CFT phụ thuộc vào sự tương tác giữa các vật liệu, mà chủ yếu là chịu ảnh hưởng bởi ba mối quan hệ: Sự tương tác giữa thép và bê tông; Sự khác biệt trong hệ số Poisson của thép và bê tông; Cơ chế phá hủy trong các vật liệu; a. Sự tương tác giữa thép và vữa Để làm việc như là một cấu kiện liên hợp, tải trọng phải được truyền qua bề mặt tiếp xúc. Tải trọng sẽ được truyền như ứng suất cắt, xem Hình 1.

Sự truyền lực cắt trong bề mặt tiếp xúc. Bốn cơ chế chủ yếu có liên quan đến sự truyền ứng suất cắt tại bề mặt tiếp xúc: + Độ bám dính; - 8- + Hạt vi mô chèn vào nhau; + Ma sát; + Ràng buộc; Độ bám dính: Sự hút của bề mặt tiếp xúc, nơi mà chân không trong các mao U U mạch do quá trình thủy hóa trong bê tông tạo ra. Cơ chế này chỉ hoạt động khi chân không được duy trì. Tại một mảnh 0.01 mm trên bề mặt tiếp xúc, lực bám dính bằng không.

Độ bám dính giả định được bỏ qua. Hạt vi mô chèn vào nhau: Sự không đều bề mặt bên trong ống thép, xem U U Hình 1.2, sẽ hỗ trợ cho sự truyền lực cắt cho đến khi biến dạng cục bộ gây ra sự ép vỡ trong bê tông. Hạt vi mô chèn vào nhau do bề mặt không đều. Ma sát: Khi hai bề mặt bị nén, ma sát thể hiện sức kháng trượt tiếp tuyến nội.

U U Những ứng suất kéo xuyên tâm trong các bề mặt tiếp xúc do sự co ngót theo phương ngang có tầm quan trọng rất lớn về độ lớn của ma sát. Hệ số ma sát là một yếu tố quan trọng khác khi ma sát được xác định. Trong nghiên cứu của về CFT chịu tải dọc trục, Johansson [3] đã tìm thấy một giá trị trung bình 0.6 liên quan đến các lực bình thường, độ nhám trên bề mặt bên trong và hệ số trượt của bề mặt tiếp xúc.