Phân Tích Ảnh Hưởng Của Sự Thay Đổi Nhiệt Độ Đến Ứng Suất Và Biến Dạng Của Cầu Toàn Khối Một Nhịp Tại Khu Vực Nam Bộ, Việt Nam

CTK mang lại nhiều ưu điểm so với cầu truyền thống, bao gồm: loại bỏ hoàn toàn khe co giãn và gối cầu, giảm chi phí bảo trì; đơn giản hóa kết cấu phần dưới; thi công nhanh chóng và đơn giản hơn; kết cấu phần trên thanh mảnh hơn; giảm chiều dài và độ dốc đường dẫn lên cầu; lái xe êm thuận hơn; loại bỏ các chi tiết có vấn đề; cấu trúc mạnh mẽ và bền vững hơn. Việc loại bỏ khe co giãn giúp giảm tiếng ồn và rung động khi xe cộ lưu thông, đồng thời giảm nguy cơ hư hỏng kết cấu do tác động của nước và các chất ăn mòn xâm nhập vào khe co giãn.

Khu vực Nam Bộ có khí hậu nhiệt đới gió mùa, với sự thay đổi nhiệt độ lớn giữa ngày và đêm, giữa các mùa trong năm. Sự thay đổi nhiệt độ này gây ra ứng suất và biến dạng trong kết cấu CTK, đặc biệt là tại vị trí liên kết giữa dầm và mố. Cần phải nghiên cứu kỹ lưỡng ảnh hưởng của sự thay đổi nhiệt độ đến sự làm việc của CTK để đưa ra các giải pháp thiết kế và thi công phù hợp, đảm bảo an toàn và tuổi thọ của công trình. Cần chú trọng đến các yếu tố như: vật liệu xây dựng, giải pháp kết cấu, quy trình thi công.

Ứng suất nhiệt phát sinh do sự giãn nở và co ngót của vật liệu khi nhiệt độ thay đổi. Do CTK liên kết toàn khối giữa dầm và mố, sự giãn nở và co ngót này bị cản trở, tạo ra ứng suất bên trong kết cấu. Hệ số giãn nở nhiệt của bê tông và thép khác nhau cũng góp phần làm tăng ứng suất nhiệt. Việc tính toán và dự đoán chính xác ứng suất nhiệt là yếu tố quan trọng trong thiết kế CTK. Phần tử hữu hạn (PTHH) là công cụ mạnh mẽ để mô phỏng và phân tích ứng suất trong kết cấu.

Ứng suất nhiệt thay đổi theo chu kỳ ngày và đêm, mùa, gây ra tải trọng lặp lên cọc móng. Tải trọng lặp này có thể dẫn đến phá hoại mỏi của cọc sau một thời gian dài sử dụng. Đặc biệt, cọc thép HP có nguy cơ bị phá hoại mỏi cao hơn so với cọc bê tông do tính chất vật liệu. Cần phải đánh giá nguy cơ phá hoại mỏi của cọc và thiết kế cọc có đủ khả năng chịu tải để đảm bảo an toàn công trình.

Tương tác giữa đất và kết cấu (SSI) đóng vai trò quan trọng trong việc phân bố ứng suất trong CTK. Đất nền có khả năng chịu một phần ứng suất do nhiệt độ gây ra, giúp giảm ứng suất trong kết cấu. Tuy nhiên, tính chất của đất nền, như độ chặt, độ ẩm, ảnh hưởng đến mức độ tương tác này. Việc mô hình hóa SSI chính xác là cần thiết để đánh giá đúng ứng suất trong CTK. Mô hình Drucker-Prager được sử dụng để mô phỏng tương tác giữa đất nền và móng mố CTK.

Việc xây dựng mô hình PTHH 3D chi tiết là bước quan trọng trong phân tích ANSYS. Mô hình cần bao gồm đầy đủ các bộ phận của CTK, như dầm, mố, cọc, đất nền. Sử dụng các loại phần tử phù hợp để mô phỏng chính xác đặc tính vật liệu và hành vi của kết cấu. Thiết lập các điều kiện biên và tải trọng phù hợp với thực tế. Phần tử SOLID187 và BEAM188 được sử dụng trong mô hình này.

Mô hình Drucker-Prager là một mô hình vật liệu đàn dẻo được sử dụng rộng rãi để mô phỏng hành vi của đất. Mô hình này cho phép xác định ứng suất và biến dạng của đất dưới tác động của tải trọng. Các thông số của mô hình Drucker-Prager cần được xác định dựa trên kết quả thí nghiệm đất. Mô hình đàn dẻo lý tưởng được sử dụng cho vật liệu kết cấu.

Sử dụng dữ liệu nhiệt độ thu thập được tại khu vực Nam Bộ để áp dụng vào mô hình ANSYS. Xác định biên độ nhiệt độ ngày và đêm, mùa, và phân bố nhiệt độ theo chiều cao kết cấu. Mô phỏng sự thay đổi nhiệt độ theo thời gian để đánh giá ảnh hưởng của tải trọng lặp đến tuổi thọ của CTK. Dữ liệu nhiệt độ từ các trạm khí tượng như Tân Sơn Hòa và Mỹ Tho được sử dụng.

Ứng suất tập trung tại vị trí liên kết dầm và mố do sự cản trở giãn nở và co ngót của vật liệu. Giá trị ứng suất này tăng lên khi biên độ nhiệt độ tăng. Cần phải thiết kế chi tiết liên kết dầm và mố để giảm ứng suất tập trung và đảm bảo độ bền của kết cấu.

Mố và cọc chuyển vị theo chu kỳ nhiệt độ, do sự giãn nở và co ngót của dầm. Chuyển vị này có thể gây ra ứng suất bổ sung trong kết cấu. Cần phải tính toán chuyển vị của mố và cọc để đảm bảo kết cấu không bị vượt quá giới hạn cho phép.

Phân tích mỏi của cọc cho thấy tuổi thọ của cọc giảm khi biên độ nhiệt độ tăng và chiều dài nhịp tăng. Cần phải thiết kế cọc có đủ khả năng chịu mỏi để đảm bảo tuổi thọ của CTK. Phương pháp phân tích mỏi ứng suất theo thời gian được sử dụng.

Lựa chọn vật liệu xây dựng, như bê tông và thép, với hệ số giãn nở nhiệt tương đồng để giảm ứng suất nhiệt. Sử dụng bê tông chất lượng cao và thép có độ bền cao để tăng khả năng chịu lực của kết cấu. Cần chú ý đến các tiêu chuẩn như ASTM và JIS.

Thiết kế chi tiết liên kết dầm và mố để giảm ứng suất tập trung, như sử dụng các biện pháp giảm chấn hoặc tăng cường liên kết. Sử dụng phần mềm ANSYS để kiểm tra và tối ưu hóa thiết kế liên kết. Chú trọng đến việc bố trí cốt thép hợp lý.

Sử dụng các giải pháp giảm thiểu ảnh hưởng của nhiệt độ, như sử dụng lớp phủ cách nhiệt hoặc hệ thống thông gió. Xây dựng CTK vào thời điểm nhiệt độ thấp để giảm ứng suất ban đầu. Nghiên cứu ứng dụng vật liệu EPS (Expanded Polystiren geofoam) để giảm áp lực đất lên mố.

Tổng kết lại các kết quả nghiên cứu chính, bao gồm phân bố ứng suất, chuyển vị và nguy cơ phá hoại mỏi của CTK. Đề xuất các giải pháp thiết kế và thi công cụ thể để giảm thiểu ảnh hưởng của nhiệt độ và tăng tuổi thọ của CTK.

Đề xuất các hướng nghiên cứu tiếp theo về CTK tại Việt Nam, như nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố khác (ngoài nhiệt độ) đến sự làm việc của CTK, phát triển các mô hình phân tích chính xác hơn, và nghiên cứu ứng dụng các vật liệu mới. Nghiên cứu về tương tác mỏi của cọc cầu toàn khối.