Tổng quan luận án

Công trình luận án tiến sĩ kỹ thuật của tác giả Phạm Cao Tuyến với đề tài "Nghiên cứu kết cấu và công nghệ chế tạo cầu máng xi măng lưới thép ứng suất trước nhịp lớn" thuộc chuyên ngành Kỹ thuật xây dựng công trình thủy (Mã số: 62.02), được thực hiện tại Trường Đại học Thủy Lợi dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. Trần Mạnh Tuân (cùng sự tham gia hướng dẫn của PGS. Vũ Hoàng Hưng và cố PGS. Vũ Thành Hải).

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Cầu máng xi măng lưới thép (CM-XMLT) là loại công trình dẫn nước dạng vỏ mỏng không gian được sử dụng trong các hệ thống thủy lợi nhằm vượt qua các vùng địa hình chia cắt phức tạp như sông, suối, thung lũng, kênh rạch, vùng đất trũng hoặc thay thế các đoạn kênh qua nền đất thấm nước nhiều. Loại kết cấu này sở hữu các ưu điểm: trọng lượng bản thân nhẹ, tiết kiệm vật liệu, khả năng chống nứt tốt, tuổi thọ cao và hình thức kiến trúc mỹ quan.

Tuy nhiên, trong thực tiễn xây dựng thủy lợi tại Việt Nam qua hơn hai mươi năm ứng dụng, việc tính toán thiết kế và thi công CM-XMLT vẫn bị giới hạn ở nhịp ngắn ($L \le 6\text{ m}$, hiếm khi đạt $8\text{ m}$) và đường kính lòng máng chữ U chỉ dao động từ $0{,}6\text{ m}$ đến $1{,}2\text{ m}$. Khi tuyến kênh dẫn nước đi qua địa hình phức tạp đòi hỏi vượt khẩu độ lớn, việc sử dụng cầu máng nhịp ngắn làm phát sinh mật độ mố trụ dày đặc, dẫn đến chi phí xây dựng mố trụ rất cao, đồng thời làm giảm mức độ an toàn công trình khi thi công trụ cao giữa lòng sông suối có dòng chảy xiết.

Khi tăng chiều dài nhịp đơn $L > 12\text{ m}$, vật liệu xi măng lưới thép thông thường không còn đảm bảo điều kiện biến dạng (độ võng vượt quá giới hạn cho phép) và xuất hiện ứng suất kéo lớn ở đáy máng gây nứt. Để mở rộng khả năng vượt nhịp từ $12\text{ m}$ đến $30\text{ m}$ mà vẫn giữ được ưu điểm vỏ mỏng, việc áp dụng công nghệ ứng suất trước (ƯST) kéo sau bằng cáp đặt thẳng kết hợp công nghệ thi công đầm rung thích hợp là đòi hỏi cấp thiết từ thực tiễn sản xuất và thiết kế công trình thủy.

Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu trạng thái ứng suất và biến dạng cầu máng xi măng lưới thép ứng suất trước (CM-XMLT-ƯST) nhịp lớn tại hiện trường làm cơ sở xây dựng chương trình tính toán chuyên dụng kết cấu CM-XMLT-ƯST nhịp lớn trên máy tính để dễ dàng cho việc tính toán thiết kế và đề xuất công nghệ chế tạo CM-XMLT phù hợp.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Kết cấu cầu máng xi măng lưới thép ứng suất trước nhịp lớn (tiết diện chữ U).
  • Phạm vi nghiên cứu: Do khối lượng bài toán lớn và điều kiện thí nghiệm, luận án giới hạn giải quyết 3 nội dung trọng tâm:
    1. Phân tích lựa chọn mô hình tính toán, lập trình tính toán, thực nghiệm trên máy tính nghiên cứu về quy luật ứng suất và biến dạng của CM-XMLT thường và CM-XMLT-ƯST nhịp lớn.
    2. Kết hợp thực nghiệm trên máy tính và hiện trường nghiên cứu về công nghệ chế tạo CM-XMLT nhịp lớn bằng phương pháp rung áp ván khuôn.
    3. Thực nghiệm tại hiện trường nghiên cứu về quy luật ứng suất và biến dạng của CM-XMLT thường và CM-XMLT-ƯST nhịp lớn, theo mô hình thực (tỉ lệ 1:1).

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Lịch sử phát triển và các hướng nghiên cứu trên thế giới

Vật liệu xi măng lưới thép được ghi nhận hình thành từ các thử nghiệm đầu tiên của Joseph Monier (1849) tại Pháp, William B. tại Anh và Thaddeus Hyatt (1816-1901) tại Mỹ trong việc phân tích ứng suất dầm bê tông cốt thép. Đến thập niên 1940, Pier Luigi Nervi (1891-1979) tại Ý đã khôi phục và phát triển vật liệu XMLT nhờ phát hiện các lớp lưới thép phân bố đều tạo ra vật liệu composite có tính đàn hồi, độ dẻo, khả năng chống nứt và chịu va đập cao, ứng dụng đóng tàu vỏ mỏng $36\text{ mm}$. Thập niên 1960 ghi nhận sự phát triển của XMLT tại Anh, New Zealand, Australia (du thuyền Awahnee hoàn thành hai vòng quanh thế giới năm 1965).

Năm 1974, Viện Bê tông Hoa Kỳ (ACI) thành lập Ủy ban ACI 549 chuyên trách ban hành các chỉ dẫn thiết kế cho kết cấu XMLT. Tháng 10 năm 1976, Trung tâm Thông tin XMLT Quốc tế (IFIC) được thành lập tại Viện Công nghệ Châu Á (AIT, Thái Lan), phối hợp với Hội Xi măng Lưới thép Hàng hải New Zealand (NZFCMA) xuất bản Tạp chí Ferrocement (The Journal of Ferrocement).

Nga là quốc gia đầu tiên nghiên cứu ứng dụng XMLT trong xây dựng kênh máng, cầu máng công trình thủy lợi, trong đó Shugaev (thập niên 1960) đã bước đầu đề cập đến kết cấu CM-XMLT-ƯST. Trung Quốc cũng phát triển mạnh các công trình cầu máng bê tông cốt thép ứng suất trước (CM-BTCT-ƯST) dạng vỏ mỏng chữ U và chữ nhật qua các công trình nghiên cứu của Bai Xin-li (2001) về phân tích tĩnh - động nhịp liên tục; Fu Zhi-yuan (2004) về thí nghiệm mô hình 1:1 xác định hệ số ma sát và tổn hao ứng suất; Ji Ri-chen (2006) về ứng suất nhiệt; Zhao Shunbo (2006) về thí nghiệm mô hình tỉ lệ 1:5 cầu máng nhịp $40\text{ m}$; Cheng Wa (2008) về cấu tạo ƯST hai phương; Feng Guang-wei (2013), Ma Wen-liang (2012) và Gao Ping (2013) về tương tác nhiệt - chất lưu - dao động động đất.

Đối với cầu máng xi măng lưới thép thường, các nghiên cứu thực nghiệm và mô phỏng số trên phần mềm ANSYS được thực hiện bởi He Liang (2012), Wu Tao (2012) và Yu Li (2014) nhằm đánh giá khả năng chịu tải và giải pháp gia cường kết cấu cũ.

Tình hình nghiên cứu tại Việt Nam

Tại Việt Nam, nghiên cứu ứng dụng XMLT trong thủy lợi phát triển mạnh từ thập niên 1990 bởi các nhà khoa học thuộc Bộ môn Kết cấu công trình - Đại học Thủy Lợi. Kết cấu kênh máng và cầu máng XMLT được ứng dụng thực tế tại An Giang (trạm bơm 3/2 - 1999), Kon Tum (kênh chính Hồ ĐăkLoh - 2002), Lâm Đồng (Hồ Đăk Lô - 2004), Phú Yên (Hồ Đồng Tròn - 2009). Các quy trình, tiêu chuẩn thiết kế cầu máng vỏ mỏng XMLT được ban hành vào các năm 2006 và 2012.

Về công nghệ vật liệu và chế tạo, Vũ Quốc Vương, Trương Quốc Bình, Trần Thị Thúy Lam (2012) nghiên cứu sử dụng bê tông tự lèn hạt mịn; Trương Quốc Bình (2014) khảo sát thông số dao động của hệ rung nhằm nâng cao độ đặc chắc và chống thấm; Lê Bá Nhật Tuân và Vũ Hoàng Hưng (2014) nghiên cứu giải pháp CM-BTCT-ƯST tăng gấp đôi chiều dài nhịp.

Khoảng trống nghiên cứu luận án lựa chọn giải quyết

  1. Chưa có nghiên cứu chuyên sâu và hoàn chỉnh về trạng thái ứng suất - biến dạng không gian của kết cấu vỏ mỏng CM-XMLT khi kết hợp với cốt thép ứng suất trước căng sau vượt nhịp lớn ($L = 12 \div 30\text{ m}$).
  2. Phương pháp tính toán thông thường theo lý thuyết dầm đơn thuần chưa phản ánh chính xác trạng thái làm việc không gian của kết cấu vỏ mỏng chữ U nhịp lớn có sườn tăng cường.
  3. Thiếu công cụ phần mềm tự động hóa tính toán thiết kế và hệ thống bảng tra chuyển vị, ứng suất phục vụ tra cứu nhanh trong thực hành thiết kế.
  4. Công nghệ chế tạo CM-XMLT nhịp lớn vượt sông suối chưa có cơ sở khoa học hoàn chỉnh; các phương pháp truyền thống (trát tay, phun vữa, bàn rung) bộc lộ nhược điểm về chất lượng đầm đặc hoặc tính cơ động, đòi hỏi phát triển và chuẩn hóa phương pháp rung áp ván khuôn.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết và mô hình tính toán

  • Lý thuyết vỏ mỏng không gian và phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH): Thân máng chữ U kết hợp với sườn dọc (tai máng), sườn ngang (đai máng) và thanh giằng ngang được mô hình hóa dưới dạng kết cấu vỏ không gian 3 chiều. Toàn bộ kết cấu được chia lưới bằng phần tử khối (Solid element) trong phần mềm ANSYS để phân tích chuyển vị theo phương đứng ($U_Y$), ứng suất pháp theo phương dọc ($S_Z$) và ứng suất pháp theo phương ngang ($S_X$).
  • Lý thuyết dầm (phương pháp giải gần đúng): Bài toán không gian được quy đổi thành hai bài toán phẳng độc lập: phương dọc tính như dầm chịu uốn có tiết diện chữ I hoặc chữ T; phương ngang tính theo khung phẳng chịu lực cắt không cân bằng từ hai phần máng liền kề. Luận án đối chiếu kết quả giữa lý thuyết dầm và lý thuyết vỏ mỏng thông qua tỷ số hình học $L/H$ và $L/D_o$.
  • Lý thuyết kết cấu ứng suất trước căng sau: Phân tích trạng thái chịu lực của tiết diện bê tông dưới tác dụng đồng thời của tải trọng ngoài và lực nén trước đặt lệch tâm $N$: $$\sigma = \sigma_1 - \sigma_3$$ Trong đó $\sigma_1$ là ứng suất nén trước do lực căng cáp sinh ra ở thớ đáy và $\sigma_3$ là ứng suất kéo do ngoại lực sinh ra.

Tải trọng và tổ hợp tải trọng

Các tải trọng tính toán tác dụng lên kết cấu cầu máng bao gồm:

  1. Trọng lượng bản thân kết cấu thân máng, tai máng, sườn ngang, giằng ngang (TLBT).
  2. Áp lực thủy tĩnh của cột nước thiết kế và mực nước kiểm tra (ALN).
  3. Hoạt tải người đi lại trên thành/giằng máng: $2{,}5\text{ kN/m}^2$ (ND).
  4. Áp lực gió cơ bản: $W = W_o \cdot q\text{ (kN/m}^2\text{)}$ (trong đó $W_o$ là áp lực gió cơ bản, $k$ là hệ số thay đổi theo độ cao, $c$ là hệ số khí động).
  5. Lực ma sát tại gối tựa do biến dạng nhiệt độ/co ngót: $T = G \cdot f\text{ (kN)}$ ($G$ là áp lực gối, $f$ là hệ số ma sát).
  6. Áp lực thủy động của dòng chảy tác dụng lên mố trụ: $$P = k_1 \frac{\gamma v^2}{2g}\text{ (kN/m}^2\text{)}$$ (với $v$ là vận tốc dòng chảy, $\gamma$ là trọng lượng riêng của nước, $g = 9{,}81\text{ m/s}^2$, $k_1$ là hệ số hình dạng trụ).

Cơ sở tính toán tổn hao ứng suất trước

Luận án tính toán 7 thành phần tổn hao ứng suất trước cho phương pháp căng sau:

  • Tổn hao do biến dạng của thiết bị neo: $$\sigma_{h1} = \frac{\Delta L}{L} E_{at}$$ (với $\Delta L$ lấy bằng 1,5 lần dịch chuyển của neo và không nhỏ hơn $2\text{ mm}$, $E_{at}$ là môđun đàn hồi của thép ƯST).
  • Tổn hao do ma sát giữa cáp và ống luồn: $\sigma_{h2}$.
  • Tổn hao do chênh lệch nhiệt độ khi gia nhiệt bảo dưỡng: $$\sigma_{h3} = \alpha E_{at} \Delta t^\circ = 20 \Delta t^\circ\text{ (daN/cm}^2\text{)}$$ (với $\alpha = 0{,}00001/1^\circ\text{C}$, $E_{at} = 2{,}0 \times 10^6\text{ daN/cm}^2$).
  • Tổn hao do co ngót của vữa xi măng: $\sigma_{h4} = \varepsilon_c E_{at}$ (với $\varepsilon_c = 0{,}0004 \div 0{,}0008$, chọn trung bình $\varepsilon_c = 0{,}0006$).
  • Tổn hao do từ biến của vữa: $\sigma_{h5}$ xác định theo tỷ số $\sigma_b/R_b$.
  • Tổn hao do chùng (nới) ứng suất cốt thép: $$\sigma_{h6} = 0{,}025 \sigma_k \quad (\text{khi } \sigma_k = 0{,}7 R_{cat})$$ $$\sigma_{h6} = 0{,}035 \sigma_k \quad (\text{khi } \sigma_k = 0{,}8 R_{cat})$$
  • Tổn hao do vữa thân máng bị ép co đàn hồi: $\sigma_{h7} = n \sigma_b$.

Các tổn hao trên được phân thành hai nhóm:

  • Nhóm I (trước khi nén vào thân máng): $\sigma_{hI} = \sigma_{h1} + \sigma_{h2}$.
  • Nhóm II (sau khi nén vào thân máng): $\sigma_{hII} = \sigma_{h5} + \sigma_{h6} + \sigma_{h7}$.

Tổng các tổn hao cho phương pháp căng sau không nhỏ hơn $800\text{ daN/cm}^2$. Thuật toán giải lặp trên bảng tính Excel được sử dụng để xác định chính xác các giá trị tổn hao phụ thuộc lẫn nhau.

Dữ liệu và phương pháp thực nghiệm

  1. Thực nghiệm máy tính: Lập trình tham số hóa bằng ngôn ngữ APDL (Ansys Parametric Design Language) kết nối phần mềm ANSYS, tự động hóa tính toán hàng ngàn bài toán mô phỏng trạng thái ứng suất, biến dạng với các dải thông số hình học và tải trọng khác nhau.
  2. Thí nghiệm cơ lý vật liệu: Xác định cấp phối vữa xi măng lưới thép các mác M250, M300, M350; thí nghiệm kéo xác định cường độ chịu kéo phá hoại của vật liệu lưới thép và vữa xi măng lưới thép.
  3. Thí nghiệm mô hình động lực học ván khuôn: Mô phỏng số xác định vùng ảnh hưởng của lực kích động và biên độ dao động của ván khuôn theo phương đứng và ngang dưới tác dụng của hệ thống máy đầm rung.
  4. Thực nghiệm hiện trường quy mô 1:1: Chế tạo và thử tải 3 mẫu cầu máng thực tế: Máng số 1 ($L = 12\text{ m}$), Máng số 2 ($L = 12\text{ m}$) và Máng số 3 ($L = 18\text{ m}$). Sử dụng cảm biến biến dạng lá điện trở (strain gauge) đo ứng suất tại đáy máng, thành máng và tai máng; sử dụng đồng hồ cơ học đo độ võng chuyển vị; hệ thống kích thủy lực kéo căng cáp và gia tải tĩnh bằng cát trong lòng máng.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về cầu máng xi măng lưới thép ứng suất trước nhịp lớn

Chương này tổng kết toàn diện cơ sở lý thuyết, phân loại cấu tạo, tải trọng tính toán và các công nghệ thi công cầu máng.

+-------------------------------------------------------------------------+
|                  CÁC BỘ PHẬN KẾT CẤU CẦU MÁNG CHỮ U                     |
|                                                                         |
|   [Thanh giằng ngang] <-------- Khoảng cách bố trí hợp lý ------------> |
|          |                                                              |
|   [Tai máng (sườn dọc)] <----- Tăng độ cứng dọc và bố trí cáp ƯST       |
|          |                                                              |
|   [Thành đứng & Đáy cong] <-- Vỏ mỏng xi măng lưới thép (3 - 6 cm)     |
|          |                                                              |
|   [Sườn ngang (đai máng)] <-- Tăng cứng ngang và tựa lên gối đỡ        |
|          |                                                              |
|   [Mố biên / Trụ đỡ] <------- Trọng lực, khung đơn, khung kép, hỗn hợp |
+-------------------------------------------------------------------------+

Về mặt cấu tạo hình học, thân máng chữ U có đáy nửa hình tròn bán kính $R_o$ và hai thành bên thẳng đứng chiều cao $f = (0{,}1 \div 0{,}3)D_o$, chiều dày vỏ mỏng $t = (1/15 \div 1/25)R_o$ ($t = 3 \div 6\text{ cm}$). Đoạn đáy cong được làm dày $t_o = (1{,}0 \div 1{,}5)t$ trên đoạn góc mở $d_o = (0{,}5 \div 0{,}6)R_o$ nhằm tăng cường khả năng chống nứt.

Loại cốt thép ƯST Phương pháp căng trước Phương pháp căng sau
Sợi thép, sợi thép bện $0{,}70 R_{cat}$ $0{,}65 R_{cat}$
Cốt thép kéo lạnh $0{,}90 R_{cat}$ $0{,}85 R_{cat}$

Bảng: Ứng suất kéo trước giới hạn $\sigma_k\text{ (daN/cm}^2\text{)}$ theo loại thép và công nghệ căng.

Chương 1 phân tích 5 giai đoạn làm việc của CM-XMLT-ƯST phương pháp căng sau:

  1. Giai đoạn 1: Căng cáp trên thân máng với ứng suất $\sigma_k$, neo cáp, xuất hiện tổn hao nhóm I ($\sigma_{hI}$), lực nén truyền vào kết cấu là $A_{at}(\sigma_k - \sigma_{hI})$.
  2. Giai đoạn 2: Lực nén lệch tâm gây ứng suất nén thớ đáy và uốn vồng kết cấu.
  3. Giai đoạn 3: Toàn bộ tổn hao nhóm II ($\sigma_{hII}$) xuất hiện, thân máng đạt trạng thái ứng suất ổn định.
  4. Giai đoạn 4: Tác dụng của ngoại lực (nước, người đi), đáy máng chịu kéo giảm trừ ứng suất nén trước.
  5. Giai đoạn 5: Kiểm tra điều kiện không nứt thớ đáy khi chịu tổ hợp tải trọng lớn nhất: tổng ứng suất kéo phải nhỏ hơn hoặc bằng cường độ chịu kéo tiêu chuẩn của vữa có xét hệ số dẻo ($\gamma R_{ck}$).

Đánh giá 3 công nghệ chế tạo hiện hữu: trát tay (năng suất thấp, độ đặc chắc kém, nhanh hư hỏng), phun vữa (chỉ có 1 mặt ván khuôn ngoài, mặt trong trát tay nên chất lượng không đồng đều) và rung trên bàn rung (chất lượng cao nhưng chỉ đúc được nhịp $L \le 6\text{ m}$ và khó vận chuyển qua địa hình đồi núi). Luận án đề xuất nghiên cứu phương pháp rung áp ván khuôn để kết hợp ưu điểm chất lượng cao của bàn rung và tính cơ động tại hiện trường của phun vữa.

Chương 2: Nghiên cứu trạng thái ứng suất và biến dạng cầu máng xi măng lưới thép ứng suất trước nhịp lớn

Chương 2 tập trung vào việc mô hình hóa phần tử hữu hạn và lập trình tự động bằng ngôn ngữ APDL trong phần mềm ANSYS, tính toán so sánh chi tiết giữa máng thường và máng ƯST.

Quy trình thuật toán xác định lực nén trước tối thiểu ($LNT\text{-}A$) chống nứt đáy máng được thiết lập:

  1. Tính toán ứng suất dọc $S_Z$ tại đáy máng do các thành phần tải trọng riêng rẽ: trọng lượng bản thân ($S_{ZTLBT}$), áp lực nước ($S_{ZALN}$), người đi ($S_{ZND}$) và lực nén trước đơn vị giả định ($S_{ZLNT^*}$).
  2. Thiết lập tổ hợp tải trọng cơ bản không có ƯST: $$TH1T = S_{ZTLBT} + S_{ZALN} + S_{ZND}$$
  3. Nếu $TH1T > \gamma R_{ck}$, đáy máng bị nứt, bắt buộc sử dụng giải pháp ƯST.
  4. Xác định lực nén trước tối thiểu $LNT\text{-}A$: $$LNT\text{-}A = \frac{LNT^}{S_{ZLNT^}} \left[ \gamma R_{ck} - (S_{ZTLBT} + S_{ZALN} + S_{ZND}) \right]$$
  5. Chọn cáp và xác định lực căng thiết kế $LNT\text{-}B$ đã bù trừ các tổn hao ứng suất, kiểm tra chuyển vị và ứng suất ở các tổ hợp khai thác: $$TH1\text{-}B = TLBT + ALN + ND + LNT\text{-}B$$ $$TH2\text{-}B = TLBT + LNT\text{-}B$$
Bộ phận kết cấu Kích thước và tỷ lệ khuyến nghị
Chiều dày vỏ máng ($t$) $t = (1/15 \div 1/25)R_o$, thông dụng $t = 3 \div 6\text{ cm}$
Chiều cao đoạn đứng ($f$) $f = (0{,}1 \div 0{,}3)D_o$
Kích thước tai máng ($a \times b \times c$) $a = (1{,}5 \div 2{,}5)t$; $b = (1 \div 2)t$; $c = (1 \div 2)t$
Chiều cao thanh giằng ngang ($h_g$) $h_g = 10 \div 20\text{ cm}$
Bề rộng thanh giằng ngang ($b_g$) $b_g = 8 \div 15\text{ cm}$
Chiều dày gia cường đáy ($t_o$) $t_o = (1{,}0 \div 1{,}5)t$; mở rộng góc $d_o = (0{,}5 \div 0{,}6)R_o$

Bảng: Thông số kích thước hình học tiết diện cầu máng chữ U nhịp lớn.

Kết quả tính toán hàng loạt bài toán cho thấy:

  • Với cầu máng thường nhịp $L \le 12\text{ m}$, vật liệu XMLT vẫn đảm bảo khả năng chịu lực. Khi $L > 12\text{ m}$, độ võng và ứng suất kéo đáy máng vượt giới hạn cho phép; việc bố trí cốt thép thường không còn hiệu quả kinh tế do tăng tải trọng bản thân.
  • Áp dụng cáp ƯST kéo sau giúp tạo độ võng ngược (vồng ban đầu), triệt tiêu hoàn toàn ứng suất kéo ở đáy máng và giảm mạnh độ võng tổng cộng trong giai đoạn khai thác đầy nước.
  • Đối chiếu giữa lý thuyết dầm và lý thuyết vỏ mỏng: Luận án chứng minh rằng tỷ số $L/H$ và $L/D_o$ chi phối độ chính xác của bài toán. Khi $L/H < 10$, mô hình dầm bỏ qua biến dạng cục bộ của tiết diện hở chữ U và sự tham gia chịu lực của tai máng, dẫn đến sai số lớn; khi $L/H \ge 10$, kết quả tính toán giữa hai phương pháp tiệm cận nhau.
  • Luận án đã xây dựng hệ thống bảng tra chi tiết về chuyển vị đứng $U_Y$ và ứng suất dọc $S_Z$, ứng suất ngang $S_X$ cho các đường kính lòng máng $D_o = 0{,}8 \div 2{,}4\text{ m}$ và chiều dài nhịp $L = 12 \div 30\text{ m}$ (trình bày tại Phụ lục 2 và 3).

Chương 3: Nghiên cứu công nghệ chế tạo cầu máng xi măng lưới thép nhịp lớn bằng phương pháp rung áp ván khuôn

Chương 3 giải quyết bài toán động lực học của hệ ván khuôn thép kết hợp đầm rung gắn ngoài nhằm định hình và đầm đặc vữa vỏ mỏng.

  • Mô hình hóa động lực học ván khuôn: Phân tích miền ảnh hưởng của lực kích động từ máy rung gắn trên thành ván khuôn thép. Kết quả phân tích chỉ ra biên độ dao động suy giảm theo khoảng cách và phụ thuộc vào độ cứng liên kết của hệ khung gân tăng cường ván khuôn.
  • Phân tích lựa chọn phương án bố trí máy rung: Luận án khảo sát 4 sơ đồ bố trí máy rung trên hệ ván khuôn chế tạo máng nhịp $L = 12\text{ m}$:
    • Sơ đồ 1: Bố trí 7 máy rung.
    • Sơ đồ 2: Bố trí 9 máy rung.
    • Sơ đồ 3: Bố trí 11 máy rung.
    • Sơ đồ 4: Bố trí 13 máy rung.

Kết quả tính toán PTHH dao động qua 3 giai đoạn thời gian (Giai đoạn 1: $1 \div 20\text{s}$; Giai đoạn 2: $601 \div 620\text{s}$; Giai đoạn 3: $1501 \div 1520\text{s}$) cho thấy phương án bố trí 11 máy rung đảm bảo trường biên độ dao động đồng đều nhất trên toàn bộ bề mặt vỏ máng theo cả phương đứng và phương ngang, tránh hiện tượng cộng hưởng cục bộ hoặc vùng chết không đủ lực đầm.

  • Thực nghiệm tại xưởng sản xuất: Quy trình rung áp ván khuôn được thử nghiệm tại xưởng ở Kon Tum trên sản phẩm máng XMLT kích thước $L = 12\text{ m}, D_o = 1{,}2\text{ m}, \delta = 4\text{ cm}, H = 1{,}4\text{ m}$. Kết quả kiểm tra độ đặc chắc của vữa, cường độ nén và độ chống thấm đạt yêu cầu kỹ thuật tương đương phương pháp bàn rung cố định, nhưng giảm đáng kể nhân lực và cho phép đúc các phân đoạn nhịp lớn trực tiếp gần tuyến công trình.

Chương 4: Nghiên cứu thực nghiệm tại hiện trường ứng suất và biến dạng cầu máng xi măng lưới thép ứng suất trước nhịp lớn

Chương 4 kiểm chứng thực tế các kết quả tính toán lý thuyết thông qua hệ thống thí nghiệm vật liệu và thử tải mô hình nguyên mẫu tỉ lệ 1:1.

Nhóm thí nghiệm Loại mẫu / Cấu kiện Chỉ tiêu / Thông số kiểm tra Thiết bị và phương pháp
Vật liệu Mẫu vữa M250, M300, M350; Mẫu lưới thép Cấp phối $1\text{ m}^3$ vữa, cường độ kéo đứt vật liệu XMLT Máy kéo nén tiêu chuẩn phòng thí nghiệm
Máng số 1 $L = 12\text{ m}$, tiết diện chữ U Ứng suất đáy, ứng suất tai máng, độ võng giữa nhịp theo từng cấp lực nén Cảm biến lá điện trở, đồng hồ đo chuyển vị cơ học, kích kéo cáp
Máng số 2 $L = 12\text{ m}$, tiết diện chữ U Đối chứng ứng suất đáy, tai máng và độ võng với máng số 1 Cảm biến lá điện trở, đồng hồ so
Máng số 3 $L = 18\text{ m}$, tiết diện chữ U Ứng suất đáy máng, đỉnh máng và độ võng khi căng cáp và chất tải cát Cảm biến điện trở, đồng hồ cơ, hệ thống gia tải cát toàn nhịp

Bảng: Tổng hợp các nội dung nghiên cứu thực nghiệm tại hiện trường.

Kết quả đo đạc thực nghiệm ghi nhận:

  1. Mối quan hệ lực nén trước và biến dạng: Khi tăng dần lực căng cáp ƯST, đáy máng xuất hiện ứng suất nén tăng tuyến tính, đồng thời đỉnh tai máng chịu ứng suất kéo nhỏ; độ võng ngược (vồng lên) tại giữa nhịp tỷ lệ thuận với lực căng cáp.
  2. Giai đoạn chất tải: Khi gia tải cát mô phỏng trọng lượng nước đầy máng, ứng suất kéo do tải trọng ngoài triệt tiêu phần ứng suất nén trước; đáy máng vẫn duy trì trạng thái chịu nén hoặc ứng suất kéo không vượt quá giới hạn nứt của vữa xi măng.
  3. Độ võng tổng cộng: Biến dạng đứng $U_Y$ tại mặt cắt giữa nhịp của các máng $L = 12\text{ m}$ và $L = 18\text{ m}$ đều nằm trong giới hạn cho phép theo tiêu chuẩn thiết kế công trình thủy.
  4. Xác định tổn hao thực tế: So sánh số liệu đo biến dạng tức thời và biến dạng sau thời gian ổn định neo cho phép định lượng chính xác các tổn hao ứng suất nhóm I và nhóm II, phù hợp với giá trị tính toán theo công thức lý thuyết đã lập ở Chương 1.
  5. Kiểm chứng mô hình số: Sai số giữa kết quả đo ứng suất, độ võng tại hiện trường và kết quả tính toán mô phỏng trên phần mềm ANSYS/APDL dao động trong khoảng cho phép đối với kết cấu xây dựng, khẳng định độ tin cậy của chương trình tính toán đã xây dựng.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt khoa học và lý luận

  1. Làm rõ quy luật cơ học không gian: Làm rõ quy luật phân bố ứng suất và biến dạng của kết cấu CM-XMLT thường và CM-XMLT-ƯST nhịp lớn dưới tác động của các tổ hợp tải trọng thông qua mô hình bài toán vỏ không gian bằng phương pháp phần tử hữu hạn.
  2. Xác lập phạm vi áp dụng của các lý thuyết tính toán: Làm rõ ảnh hưởng của tỷ số giữa chiều dài và chiều cao tiết diện cầu máng ($L/H$) đối với độ võng và ứng suất pháp ở đáy máng theo phương dọc khi so sánh giữa lý thuyết dầm và lý thuyết vỏ mỏng. Xác định giới hạn hình học ($L/H \ge 10$) mà tại đó lý thuyết dầm có thể áp dụng gần đúng cho kết cấu máng chữ U.
  3. Thực nghiệm hóa tổn hao ứng suất: Xác định được giá trị tổn hao ứng suất trước thực tế từ thí nghiệm mô hình nguyên mẫu tỉ lệ 1:1, kiểm chứng sự phù hợp của các công thức tính toán tổn hao lý thuyết đối với kết cấu vỏ mỏng xi măng lưới thép.

Đóng góp mới về mặt thực tiễn và công nghệ

  1. Xây dựng công cụ tính toán tự động: Lập trình thành công chương trình tính toán chuyên dụng bằng ngôn ngữ APDL trong môi trường ANSYS và xuất hệ thống bảng tra chuyển vị, ứng suất cho cầu máng chữ U nhịp lớn ($D_o = 0{,}8 \div 2{,}4\text{ m}$; $L = 12 \div 30\text{ m}$), giúp các đơn vị tư vấn thiết kế tra cứu nhanh mà không cần lập lại mô hình số phức tạp.
  2. Chuẩn hóa công nghệ rung áp ván khuôn: Thiết lập cơ sở khoa học và quy trình công nghệ chế tạo cầu máng XMLT nhịp lớn bằng phương pháp rung áp ván khuôn; xác định sơ đồ bố trí tối ưu 11 máy rung trên ván khuôn thép chế tạo máng $L = 12\text{ m}$, đã ứng dụng đúc thành công máng thực nghiệm tại xưởng ở Kon Tum và ngoài hiện trường.

Kiến nghị và giải pháp đề xuất

  • Áp dụng kết cấu CM-XMLT-ƯST kéo sau bằng cáp đặt thẳng trong sườn tai máng cho các công trình kênh dẫn vượt sông suối có khẩu độ nhịp từ $12\text{ m}$ đến $30\text{ m}$.
  • Đối với các nhịp vượt lớn hơn $30\text{ m}$, kiến nghị sử dụng kết cấu CM-XMLT-ƯST kết hợp hệ thống dây văng hoặc dây treo để đảm bảo khả năng chịu lực và biến dạng.
  • Triển khai áp dụng công nghệ rung áp ván khuôn thay thế phương pháp trát tay và phun vữa trong thi công cầu máng vỏ mỏng tại các địa bàn đồi núi có địa hình phức tạp.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài

  • Nghiên cứu mới tập trung chủ yếu vào kết cấu cầu máng tiết diện chữ U dạng dầm đơn giản một nhịp, chưa khảo sát sâu các dạng mặt cắt hình thang, chữ nhật hay parabol có bố trí ƯST.
  • Phương pháp tạo ƯST trong luận án chỉ áp dụng cho cáp đặt thẳng theo phương dọc máng bằng phương pháp căng sau; chưa nghiên cứu giải pháp cáp cong hoặc căng ứng suất trước theo cả hai phương (phương dọc và phương ngang).
  • Luận án chưa đi sâu vào tính toán chi tiết phần thủy lực dòng chảy quá độ tại cửa vào, cửa ra và các giải pháp gia cố xói lở mố trụ trong lòng sông suối.

Hướng nghiên cứu tiếp theo

  • Mở rộng nghiên cứu trạng thái ứng suất, biến dạng và công nghệ thi công cho hệ cầu máng XMLT-ƯST nhịp liên tục nhiều nhịp hoặc nhịp có mút thừa.
  • Nghiên cứu kết cấu cầu máng XMLT vượt nhịp đặc biệt lớn ($L > 30\text{ m}$) kết hợp cáp ƯST và hệ dây văng hoặc dây treo.
  • Phân tích tương tác nhiệt độ - chất lưu - kết cấu (FSI) và ảnh hưởng của dao động động đất đối với cầu máng XMLT-ƯST khi chứa nước đầy.
  • Nghiên cứu biên soạn dự thảo tiêu chuẩn thiết kế và quy trình thi công nghiệm thu chuyên biệt cho cầu máng xi măng lưới thép ứng suất trước trong ngành thủy lợi.

Giá trị tham khảo

Bản luận án là tài liệu tham khảo chuyên môn cho các đối tượng và lĩnh vực sau:

  • Kỹ sư tư vấn thiết kế công trình thủy lợi: Trực tiếp sử dụng hệ thống bảng tra chuyển vị, ứng suất tại Phụ lục 2 và Phụ lục 3 để lựa chọn nhanh kích thước tiết diện máng chữ U ($D_o, H, t$), kích thước tai máng, thanh giằng và lực nén trước cho các nhịp từ $12\text{ m}$ đến $30\text{ m}$.
  • Cán bộ kỹ thuật và nhà thầu thi công: Tham khảo cơ sở tính toán, sơ đồ bố trí máy đầm rung trên ván khuôn thép và quy trình đúc rung áp ván khuôn tại Chương 3 để áp dụng chế tạo các cấu kiện bê tông vỏ mỏng, máng dẫn nước trực tiếp tại hiện trường.
  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên ngành Công trình Thủy, Kết cấu Công trình: Tham khảo phương pháp luận kết hợp mô phỏng phần tử hữu hạn tham số hóa (APDL/ANSYS) với thí nghiệm mô hình nguyên mẫu 1:1, phương pháp tính toán tổn hao ứng suất trước trong kết cấu vỏ mỏng và thuật toán xác định lực nén trước chống nứt.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao cầu máng xi măng lưới thép thường bị giới hạn chiều dài nhịp ở mức 6 m đến 8 m và khi nào bắt buộc phải dùng giải pháp ứng suất trước?

Theo kết quả phân tích trong luận án, với kết cấu CM-XMLT tiết diện chữ U nhịp đơn thông thường, vật liệu xi măng lưới thép chỉ đảm bảo khả năng chịu lực và biến dạng khi chiều dài nhịp $L \le 12\text{ m}$ (thực tế thi công trước đây chỉ làm $L \le 6 \div 8\text{ m}$ do hạn chế về công nghệ đúc). Khi nhịp $L > 12\text{ m}$, dưới tác dụng của trọng lượng bản thân và áp lực nước đầy máng, ứng suất kéo ở đáy máng ($TH1T$) vượt quá cường độ chịu kéo tiêu chuẩn của vữa xi măng ($\gamma R_{ck}$), làm đáy máng bị nứt và độ võng vượt giới hạn cho phép. Do đó, với các nhịp $L = 12 \div 30\text{ m}$, bắt buộc phải sử dụng giải pháp ứng suất trước để tạo lực nén trước triệt tiêu ứng suất kéo và tạo độ vồng ban đầu giảm độ võng khai thác.

2. Phương pháp tạo ứng suất trước nào được lựa chọn cho cầu máng vỏ mỏng XMLT và vì sao?

Luận án lựa chọn phương pháp căng sau với cốt thép (cáp) đặt thẳng. Lý do là thân máng XMLT có dạng vỏ trụ với chiều dày rất mỏng ($3 \div 6\text{ cm}$), không thuận tiện cho việc bố trí cáp cong. Phương pháp căng sau sử dụng ngay thân máng đã đạt cường độ (không nhỏ hơn 70% cường độ thiết kế) làm bệ căng, cho phép kiểm soát chính xác lực kéo căng theo từng giai đoạn, dễ dàng khống chế biến dạng uốn vồng và hiện tượng nứt cục bộ trong quá trình thi công.

3. Công nghệ rung áp ván khuôn giải quyết được những hạn chế nào của công nghệ trát tay, phun vữa và bàn rung?

  • So với trát tay: Khắc phục hoàn toàn nhược điểm độ đặc chắc thấp, không đồng đều, năng suất kém và nguy cơ thấm dột cao.
  • So với phun vữa: Loại bỏ việc phải trát tay mặt trong do phương pháp rung áp sử dụng hệ ván khuôn định hình cả hai mặt, đảm bảo độ nhẵn phẳng và chất lượng đồng nhất cho cả mặt trong và mặt ngoài máng.
  • So với rung trên bàn rung: Khắc phục hạn chế về chiều dài đúc (bàn rung chỉ đúc được máng nhịp $L \le 6\text{ m}$) và tính phụ thuộc vào đường vận chuyển cơ giới. Phương pháp rung áp ván khuôn có thể lắp dựng và đúc các phân đoạn nhịp lớn ($12 \div 18\text{ m}$) trực tiếp tại hiện trường xây dựng.

4. Tỷ số hình học nào quyết định mức độ sai khác giữa tính toán cầu máng theo lý thuyết dầm và lý thuyết vỏ mỏng?

Tỷ số giữa chiều dài nhịp và chiều cao tiết diện máng ($L/H$) cùng với tỷ số giữa chiều dài nhịp và đường kính máng ($L/D_o$) quyết định độ chính xác. Khi $L/H < 10$ (hoặc $L/D_o < 10$), kết cấu làm việc rõ rệt theo trạng thái vỏ mỏng không gian, xuất hiện các biến dạng uốn ngang cục bộ và sự phân bố ứng suất phức tạp mà lý thuyết dầm phẳng không phản ánh được, dẫn đến sai lệch lớn. Khi $L/H \ge 10$, kết quả tính toán độ võng và ứng suất dọc theo lý thuyết dầm tiệm cận với kết quả phân tích vỏ mỏng không gian PTHH.

5. Quy mô thí nghiệm hiện trường trong luận án được tiến hành trên những mẫu cầu máng nào?

Luận án đã chế tạo và thực nghiệm thử tải trên 3 mẫu cầu máng kích thước thực (tỉ lệ 1:1):

  • Máng số 1: Nhịp đơn $L = 12\text{ m}$, tiết diện chữ U, bố trí cáp ƯST căng sau.
  • Máng số 2: Nhịp đơn $L = 12\text{ m}$, tiết diện chữ U, dùng để đo đạc và đối chứng với máng số 1.
  • Máng số 3: Nhịp đơn $L = 18\text{ m}$, tiết diện chữ U, chế tạo tại chỗ, thử tải bằng hệ thống kích kéo cáp và chất tải tĩnh bằng cát trong lòng máng.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Phạm Cao Tuyến đã giải quyết trọn vẹn bài toán khoa học và công nghệ về việc mở rộng khẩu độ vượt nhịp của cầu máng xi măng lưới thép từ quy mô nhịp ngắn ($L \le 6\text{ m}$) lên quy mô nhịp lớn ($L = 12 \div 30\text{ m}$) bằng giải pháp ứng suất trước căng sau. Thông qua việc kết hợp giữa phân tích phần tử hữu hạn 3 chiều trên phần mềm ANSYS/APDL, phân tích động lực học hệ ván khuôn đầm rung và kiểm chứng thực nghiệm trên 3 mô hình nguyên mẫu 1:1, luận án đã làm sáng tỏ quy luật ứng suất - biến dạng không gian, xác lập công thức tính toán lực nén trước chống nứt và định lượng tổn hao ứng suất thực tế. Kết quả nghiên cứu đã xây dựng thành công hệ thống bảng tra thiết kế ứng dụng cho các đường kính lòng máng $D_o = 0{,}8 \div 2{,}4\text{ m}$ và hoàn thiện quy trình công nghệ rung áp ván khuôn phục vụ đúc cầu máng tại chỗ, mang lại giải pháp kỹ thuật hiệu quả và kinh tế cho các công trình dẫn nước vượt sông suối trong ngành thủy lợi.