MỞ ĐẦU I. Tính cấp thiết của đề tài Các kênh tưới vượt qua suối, kênh tiêu cần bố trí các công trình chuyển nước như cầu máng, cống luồn, siphông.Tuy nhiên đa phần kênh tưới đi qua các suối, kênh tiêu đều có cao độ đáy kênh cao hơn mực nước trong suối và kênh tiêu nên để tránh tổn thất cột nước và bùn cát lắng đọng gây tắc nghẽn trong quá trình chuyển nước đồng thời để thuận tiện cho việc quản lý vận hành, vì vậy việc chọn cầu máng để chuyển nước là phù hợp. Đối với các cầu máng lớn thường sử dụng kết cấu bê tông cốt thép, tuy nhiên với cầu máng yêu cầu lưu lượng nhỏ thì việc sử dụng kết cấu xi măng lưới thép là phù hợp. Khi cần vượt qua các sông suối không có khả năng bố trí trụ bắt buộc phải kéo dài nhịp cầu máng, vậy nên giải pháp sử dụng ứng suất trước có thể đem lại hiệu quả cao.
Vì vậy việc nghiên cứu ứng dụng của cầu máng xi măng lưới thép dự ứng lực là việc làm hết sức cần thiết, có ý nghĩa kinh tế - xã hội. Mục đích của đề tài Phân tích trạng thái ứng suất-biến dạng kết cấu cầu máng xi măng lưới thép dự ứng lực trong trường hợp bài toán không gian với chiều dài nhịp thay đổi. Từ đó có thể xác định được chiều dài nhịp cầu máng có thể đạt khi bố trí cáp dự ứng lực. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết về kết cấu xi măng lưới thép dự ứng lực và kết hợp sử dụng phần mềm SAP2000 phân tích trạng thái ứng suất và biến dạng cầu máng xi măng lưới thép dự ứng lực nhịp lớn trong trường hợp bài toán không gian.
Kết quả dự kiến đạt được - Hiểu được lý thuyết về kết cấu xi măng lưới thép dự ứng lực. - Xác định quan hệ ứng suất – biến dạng trong kết cấu cầu máng xi măng lưới thép dự ứng lực. - So sánh trường hợp có sử dụng kết cấu bê tông dự ứng lực với trường hợp không sử dụng kết cấu bê tông dự ứng lực, áp dụng cho một công trình cụ thể. - Nêu được đặc điểm chịu lực, độ bền của loại kết cấu vỏ mỏng bê tông cốt thép dự ứng lực nới chung khi làm việc theo sơ đồ không gian.
TỔNG QUAN VỀ CẦU MÁNG 1. Khái quát cầu máng. Khái niệm cầu máng và các bộ phận của cầu máng. Cầu máng là công trình thường được sử dụng với mục đích vận chuyển nước khi hệ thống kênh thường đi qua các vùng có điều kiện địa hình phức tạp như: sông, suối, thung lũng sâu và hẹp.
Thực tế nhu cầu dẫn nước hiện nay cần xây dựng các công trình cầu máng có nhịp lớn, chịu tải trọng lớn do đó đối với loại công trình này cần sử dụng kết dự ứng lực để đem lại hiệu quả cao. Cầu máng có các bộ phận chính: cửa vào, cửa ra, thân máng và gối đỡ (Hình 1. Sơ đồ mặt cắt dọc cầu máng 1.Khe co giãn; 6. Kết cấu cửa vào, cửa ra Cửa vào và cửa ra của cầu máng là đoạn nối tiếp thân máng với kênh dẫn nước thượng, hạ lưu, có tác dụng làm cho dòng chảy vào máng thuận, giảm bớt tổn thất do thu hẹp gây ra và dòng nước ra không làm xói lở bờ và đáy kênh.
Tường cánh của cửa vào và cửa ra thường làm theo hai kiểu: kiểu lượn cong và kiểu mở rộng hoặc thu hẹp dần. Cửa lượn cong nước chảy vào, chảy ra thuận, nhưng khi thi công khó khăn hơn. Góc mở rộng của tường cánh có ảnh hưởng đến dòng chảy vào và 1 1 ra khỏi máng. Thường lấy tỷ số giữa chiều rộng và chiều dài là ÷.
Sơ bộ chiều dài 4 3 đoạn cửa vào, cửa ra lấy bằng 4 lần cột nước trong kênh. Sân phòng thấm thường làm 2 bằng đất sét, ở trên có lát đá để phòng xói cũng có khi ở dưới nền cửa vào, cửa ra làm chân khay hoặc đóng ván cừ. Cửa vào, cửa ra của cầu máng h: Chiều sâu nước trong kênh; L1: Chiều dài đoạn cửa vào; L2: Chiều dài đoạn cửa ra. Kết cấu thân máng Thân máng làm nhiệm vụ chuyển nước, mặt cắt ngang dạng chữ nhật, bán nguyệt, parabol hoặc chữ U., có cấu tạo kín hoặc hở.
Vật liệu được dùng để xây dựng máng có thể là gỗ, gạch đá xây, bê tông cốt thép hoặc xi măng lưới thép. Tiết diện máng phải đủ chuyển nước, độ nhám nhỏ tránh tổn thất đầu nước, vật liệu thân máng phải bền và ít thấm nước. Chọn hình thức mặt cắt ngang thân máng phải dựa vào tính toán thủy lực, vật liệu làm thân máng, hình thức kết cấu trụ đỡ, đoạn nối tiếp cửa vào cửa ra. Mặt cắt ngang thân máng a.
Hình chữ nhật; b. Hình chữ U Cầu máng vỏ mỏng có khả năng chịu lực theo phương dọc lớn hơn theo phương ngang rất nhiều, để tăng độ cứng theo phương ngang, tăng độ ổn định tổng thể và cục bộ của thân máng, cần bố trí các thanh giằng ngang, các sườn gia cường dọc (còn gọi là tai máng), tại hai đầu mỗi nhịp máng nên bố trí sườn ngang (Hình 1. Với cầu máng có 3 mặt cắt ngang nhỏ, để dễ dàng cho việc thi công có thể không bố trí các thanh giằng ngang, song nếu cần có thể tăng thêm chiều dày thành máng. Gi»ng ngang Gi»ng ngang Sên däc Sên däc Sên ngang Hình 1.
Kết cấu thân máng hình thang và chữ U có giằng ngang Khi có nhu cầu đi lại trên mặt máng, có thể bố trí đường cho người đi.Với cầu máng lớn qua sông suối có thể kết hợp làm cầu giao thông trên đỉnh. Kết cấu gối đỡ Gối đỡ thân máng gồm có gối đỡ ở bên (mố bên) và gối đỡ ở giữa (trụ giữa). Mố bên thường dùng kiểu trọng lực (Hình 1.5), còn trụ giữa khi chiều cao trụ không lớn cũng hay dùng kiểu trọng lực, khi chiều cao của trụ lớn thường dùng kiểu khung hoặc kiểu hỗn hợp. Kết cấu gối đỡ 1.
Mố biên kiểu trọng lực; 2. Phần đất đắp; 5. Thiết bị thoát nước; 6. Mặt đất tự nhiên; 7.
Trụ giữa Trụ giữa kiểu trọng lực có thể bằng gạch xây, bằng đá xây hoặc bê tông, thường dùng có các trụ có chiều cao dưới 10m, trọng lượng bản thân của trụ kiểu trọng lực thường 4 rất lớn, do đó đòi hỏi nền phải có sức chịu tải cao (Hình 1. Trụ đỡ kiểu khung có hai loại: khung đơn và khung kép, khung đơn thường dùng cho các trụ cao dưới 15m (Hình 1.6b), còn trụ kép thường dùng khi các trụ có chiều cao từ 15 đến 20m (Hình 1. Móng của mố và trụ có thể đặt trực tiếp lên nền tự nhiên, khi nền yếu có thể đặt trên nền cọc. Trụ kiểu trọng lực; b.
Trụ kiểu khung đơn; c. Trụ kiểu khung kép 1. Các loại cầu máng, hình thức kết cấu của cầu máng 1. Các loại cầu máng Có nhiều loại cầu máng đã được nghiên cứu và sử dụng trong thực tế: - Cầu máng có mặt cắt hình chữ nhật, cầu máng có mặt cắt hình thang, cầu máng có mặt cắt hình chữ U… - Cầu máng có thanh giằng và cầu máng không có thanh giằng.
Tùy theo điều kiện và yêu cầu của từng công trình cụ thể, chúng ta sử dụng loại cầu máng cho phù hợp để đảm bảo điều kiện kinh tế và kỹ thuật. - Với những công trình có quy mô lớn, có thể sử dụng hình thức cầu máng bằng vật liệu bê tông cốt thép và để giảm giá thành công trình có thể sử dụng hình thức cầu máng bằng vật liệu xi măng lưới thép vỏ mỏng. - Cầu máng vỏ mỏng là loại hình kết cấu nhẹ, có nhiều ưu điểm: đảm bảo tính kinh tế, thích hợp với nhiều địa hình, hình thức kết cấu gọn, đẹp … vật liệu thường dùng để chế tạo là bê tông cốt thép, xi măng lưới thép hoặc bê tông ít cốt thép. 5 Hình dạng mặt cắt có thể là nửa hình tròn, hình chữ U, hình thang, hình Elips hoặc Parabol….
Hiện nay, cầu máng xi măng lưới thép vỏ mỏng có hình chữ U được sử dụng phổ biến vì các tính năng: có lợi về mặt thủy lực, độ cứng hướng dọc lớn, nội lực hướng ngang nhỏ, thi công thuận lợi. Hình thức kết cấu thân máng Mặt cắt ngang của cầu máng thường được thiết kế hình chữ nhật, hình thang hoặc hình chữ U. Thân máng được đặt trên các gối đỡ, trụ đỡ theo hình thức dầm liên tục, dầm công son. Phương pháp tính toán nội lực và bê tông cốt thép của cầu máng theo phương ngang cũng tương tự như đối với cầu máng bằng gạch đá.
Thân máng có mặt cắt chữ nhật: Máng chữ nhật không có thanh giằng ngang thường áp dụng các cầu máng loại nhỏ có chiều dài không lớn. Thành bên của loại cầu máng này dưới tác dụng của áp lực nước sẽ chịu lực giống như một bản công xôn. Khi thành đáy máng cao thì moment uốn ở đáy vách máng sẽ lớn nên lượng thép dùng trong thân máng sẽ lớn. Thanh giằng ngang làm tăng khả năng chịu lực của thành bên và đáy máng nên có thể giảm được lượng cốt thép.
Cầu máng loại vừa và loại lớn sẽ bố trí thêm thanh giằng ngang trên đỉnh máng để tăng khả năng chịu lực theo phương ngang của máng. Thân máng có mặt cắt hình chữ U : Máng có mặt cắt hình chữ U có đáy là nửa trụ tròn, hai thành bên thẳng đứng.Các cầu máng loại nhỏ có chiều dài không lớn thường không có thanh giằng ngang. Theo phương dọc máng, máng vỏ mỏng chữ U thường có hình thức máng một khoang đặt trên các mố đỡ, tính toán theo sơ đồ dầm đơn giản hoặc công son kép. Mặt cắt ngang cầu máng xi măng lưới thép 6 Kích thước máng vỏ mỏng hình chữ U bằng xi măng lưới thép thường được thiết kế như sau: - Chiều dày thành máng: t thường lấy bằng 2,5 đến 3,5cm.
- Chiều cao đoạn thẳng đứng f của thành máng lấy từ 10 % đến 30% chiều rộng lòng máng - Kích thước tai máng : 3,5t ≤ a ≤ 5,5t 0,4a ≤ b ≤ 0,5a 0,2a ≤ c ≤ 0,4a - Kích thước mặt cắt ngang của thanh giằng h g = 10 ÷ 20cm, b g = 8÷ 15cm - Mặt cắt ngang của các sườn ngang có b s =8÷15cm, h s = 4t ÷5t. Tình hình xây dựng cầu máng xi măng lưới thép ở Việt Nam và trên Thế Giới.
