Luận án Nghiên cứu đánh giá tính dư trong kết cấu cầu ở Việt Nam

i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu do tôi thực hiện. Các số liệu và kết quả trình bày trong luận án là trung thực, chưa được công bố bởi bất kỳ tác giả nào hay ở bất kỳ công trình nào khác. Hà Nội, tháng 09 năm 2015 Tác giả Nguyễn Viết Huy ii LỜI CẢM ƠN Luận án Tiến sỹ được thực hiện tại Trường Đại học Giao thông Vận tải dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS Trần Đức Nhiệm và PGS.TS Nguyễn Thị Minh Nghĩa. Nghiên cứu sinh xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới các thầy về định hướng khoa học, liên tục quan tâm sâu sát, tạo điều kiện thuận lợi trong suốt quá trình nghiên cứu, có những lúc nghiên cứu sinh cảm tưởng khó có thể tiếp tục nghiên cứu nhưng nhờ sự động viên, khích lệ của các thầy cộng với sự nỗ lực không ngừng nghỉ của bản thân, đến nay luận án đã được hoàn thành. Nghiên cứu sinh cũng xin được chân thành cảm ơn các nhà khoa học trong và ngoài nước, tác giả của các công trình nghiên cứu đã được nghiên cứu sinh sử dụng trích dẫn trong luận án về nguồn tư liệu quý báu, những kết quả liên quan trong quá trình nghiên cứu hoàn thành luận án. Nghiên cứu sinh trân trọng cảm ơn Ban Giám Hiệu, Phòng Đào tạo Đại học và Sau Đại học, Bộ môn Cầu Hầm, Hội đồng Tiến sỹ Trường Đại học Giao thông Vận tải đã tạo điều kiện để nghiên cứu sinh thực hiện và hoàn thành chương trình nghiên cứu của mình. Nghiên cứu sinh cũng xin trân trọng cảm ơn Bộ Giao thông Vận tải đã đưa vào quy hoạch đào tạo sau đại học giai đoạn 2011-2015, cảm ơn lãnh đạo Ban PPP đã tạo điều kiện cho nghiên cứu sinh vừa công tác vừa học tập, nghiên cứu. Cuối cùng là sự biết ơn đến ba mẹ, vợ và các con vì đã liên tục động viên để duy trì nghị lực, sự hy sinh thầm lặng, sự cảm thông, chia sẻ về thời gian, sức khỏe và các khía cạnh khác của cuộc sống trong cả quá trình thực hiện luận án. Hà Nội, tháng 9/2015 Nguyễn Viết Huy iii MỤC LỤC MỞ ĐẦU ........................................................................................................ xiv CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ TÍNH DƯ VÀ XÁC ĐỊNH MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU ................................................................................................. 1 1.1 Tổng quan về các công trình cầu ở Việt Nam .......................................... 1 1.1.1 Các dạng kết cấu nhịp cầu bê tông cốt thép và bê tông cốt thép dự ứng lực [2],[5] ................................................................................................................. 1 1.1.2 Các dạng kết cấu nhịp cầu thép [4] ........................................................... 4 1.1.3 Các dạng kết cấu mố, trụ [3] .................................................................... 6 1.2 Tổng quan về nghiên cứu tính dư ............................................................. 8 1.2.1 Các phương pháp được sử dụng để tính toán tính dư [29], [32], [48], [49], [50], [52], [57] .................................................................................................... 8 1.2.2 Nghiên cứu tính dư trong kết cấu công trình cầu ...................................... 9 1.2.3 Nhận xét ................................................................................................. 13 1.2.4 Tính dư trong tiêu chuẩn thiết kế 22TCN 272-05 ................................... 13 1.3 Những vấn đề còn tồn tại trong nghiên cứu tính dư .............................. 14 1.4 Những vấn đề đề tài tập trung nghiên cứu giải quyết ........................... 15 1.5 Kết luận chương 1 ................................................................................... 16 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ PHÂN TÍCH, ĐÁNH GIÁ VÀ ĐỊNH CHUẨN TÍNH DƯ CỦA KẾT CẦU VÀ ĐỀ XUẤT QUY TRÌNH TỔNG QUAN XÁC ĐỊNH TÍNH DƯ ............................................................................................. 17 2.1 Đánh giá tính dư cho kết cấu phần dưới [48] ......................................... 17 2.1.1 Xác định kết cấu bên dưới điển hình ...................................................... 17 2.1.2 Các giả thiết về trạng thái làm việc của kết cấu và TTGH tương ứng [27], [48], [56]. ......................................................................................................... 25 2.1.3 Phương pháp phân tích tính dư ............................................................... 28 2.1.4 Tính toán tính dư [75] ............................................................................ 31 iv 2.1.5 Quan hệ giữa hệ số hệ thống s với phương pháp độ tin cậy của tính dư u và tỉ lệ bảo toàn hệ thống Ru ..................................................................... 52 2.1.6 Tỉ lệ bảo toàn hệ thống của hình dạng kết cấu bên dưới định hình ......... 54 2.1.7 Quy trình xác định tính dư cho kết cấu phần dưới [48] ........................... 55 2.2 Đánh giá và định chuẩn tính dư của kết cấu phần trên ........................ 62 2.2.1 Mức độ an toàn của kết cấu phần trên .................................................... 63 2.2.2 Các trạng thái giới hạn ........................................................................... 64 2.2.3 Chu kỳ vòng đời và mô hình tải trọng - chỉ số độ tin cậy ....................... 67 2.2.4 Phương pháp độ tin cậy .......................................................................... 69 2.2.5 Xác định chỉ số độ tin cậy mục tiêu ........................................................ 70 2.2.6 Quy trình kiểm tra tính dư trực tiếp ........................................................ 72 2.2.7 Quy trình từng bước xác định hệ số dư ................................................... 75 2.2.8 Hệ số hệ thống (tính dư) ......................................................................... 77 2.2.9 Hệ số hệ thống cho cầu điển hình thông dụng ........................................ 79 2.2.10 Xếp hạng tải trọng cho cầu đang tồn tại ................................................ 80 2.3 Kết luận chương 2 ................................................................................... 82 CHƯƠNG 3. MÔ HÌNH PHI TUYẾN XÁC ĐỊNH KHẢ NĂNG LÀM VIỆC CỰC HẠN CỦA KẾT CẤU ................................................................ 84 3.1 Tổng quan ................................................................................................ 84 3.2 Tóm tắt lý thuyết phần tử hữu hạn tích hợp bước nhảy chuyển vị cho phần tử dầm Timoshenko .............................................................................. 88 3.2.1 Lý thuyết dầm Timoshenko và phương pháp phần tử hữu hạn truyền thống ............................................................................................................... 88 3.2.2 Mở rộng phương pháp phần tử hữu cho dầm Timoshenko để xét đến phá hoại uốn và cắt trên dầm [78] ........................................................................... 93 3.3 Mối quan hệ nội lực – biến dạng (mô-men/ độ cong, lực cắt – biến dạng cắt) trong dầm bê tông cốt thép. .................................................................... 98 3.4 Phương pháp chia lớp mặt cắt để xác định trạng thái ứng suất, biến dạng trong dầm ............................................................................................ 101 v 3.5 Xây dựng bảng tính xác định đường cong chịu uốn (đường cong M-к) phụ thuộc vào lực dọc và lực cắt trên dầm ................................................. 109 3.6 Thí nghiệm kiểm chứng mô hình phân tích đề xuất ............................ 112 3.6.1 Cấu tạo của dầm BTCT thí nghiệm ...................................................... 113 3.6.2 Sơ đồ thí nghiệm .................................................................................. 115 3.6.3 Xây dựng mô hình phi tuyến cho dầm thí nghiệm: ............................... 116 3.7 So sánh kết quả mô hình hóa và kết quả thí nghiệm ........................... 123 3.8 Kết luận chương 3 ................................................................................. 129 CHƯƠNG 4. CÁC VÍ DỤ ÁP DỤNG MÔ HÌNH PHI TUYẾN VÀ QUY TRÌNH TRỰC TIẾP .................................................................................... 130 4.1 Trụ 2 cột chịu lực đẩy ngang ................................................................ 130 4.1.1 Phân tích sự làm việc của trụ dưới tác dụng của lực đầy ngang theo mô hình phi tuyến ................................................................................................ 130 4.1.2 Xác định tính dư của kết cấu trụ 2 cột theo quy trình trực tiếp ............. 134 4.2 Trụ 3 cột ................................................................................................. 135 4.2.1 Phân tích sự làm việc của trụ 3 cột chịu lực ngang ............................... 135 4.2.2 Xác định tính dư của kết cấu trụ 3 cột theo quy trình trực tiếp ............. 137 4.3 Dầm liên tục 2 nhịp................................................................................ 138 4.3.1 Phân tích khả năng chịu lực thẳng đứng của dầm liên tục 2 nhịp .......... 138 4.3.2 Xác định tính dư của dầm liên tục hai nhịp theo Quy trình trực tiếp ..... 140 4.4 Kết luận chương 4 ................................................................................. 140 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ...................................................................... 142 DANH MỤC CÁC BÀI BÁO, ĐỀ TÀI CÔNG BỐ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN .................................................................................. 147 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 148 PHỤ LỤC...................................................................................................... 157 vi DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1. Các thông số trung bình của 4 loại kết cấu bên dưới ......................... 19 Bảng 2.2. Các thông số của kết cấu uốn hai cột ................................................ 20 Bảng 2.3. Các thông số của kết cấu uốn bốn cột ............................................... 21 Bảng 2.4. Độ cứng móng - kết cấu uốn hai cột ................................................. 22 Bảng 2.5. Độ cứng móng - kết cấu uốn bốn cột ................................................ 23 Bảng 2.6. Kết quả phân tích lực đẩy phi tuyến kết cấu uốn 2 cột ...................... 31 Bảng 2.7. Các biến số kết cấu của kết cấu uốn hai cột và bốn cột ..................... 32 Bảng 2.8. Các điều kiện địa chất và móng ........................................................ 32 Bảng 2.9. Dữ liệu đầu vào cho phân tích ví dụ cầu hai cột................................ 41 Bảng 2.10. Dữ liệu đầu vào cho phân tích ví dụ cầu bốn cột ............................ 42 Bảng 2.11. Khả năng tải trọng ngang đối với trụ bốn cột và hai cột.................. 44 Bảng 2.12. Giá trị của biến ngẫu nhiên đã sử dụng trong phân tích kết cấu uốn hai cột .............................................................................................................. 45 Bảng 2.13. Kết quả của phân tích đối với kết cấu uốn hai cột ........................... 45 Bảng 2.14. Kết quả của phân tích đối với kết cấu uốn bốn cột .......................... 46 Bảng 2.15. Giá trị trung bình và COV của tải trọng áp dụng như là tác động của 2 xe tải thiết kế đặt cạnh nhau .......................................................................... 68 Bảng 2.16. Tỉ lệ hệ số tải trọng yêu cầu đối với phương pháp tính dư hệ thống trực tiếp ............................................................................................................ 73 Bảng 3.1. Kết quả thí nghiệm cường độ bê tông ............................................. 113 Bảng 3.2. Kết quả thí nghiệm cường độ thép .................................................. 114 Bảng 3.3. Chia lớp phần tử bê tông ................................................................ 116 Bảng 3.4. Chia lớp phần tử thép ..................................................................... 117 Bảng 3.5. Giá trị mô men – độ cong cho phần tử dầm .................................... 122 Bảng 3.6. Thông số đầu vào cho phần tử chịu uốn thuần túy .......................... 123 Bảng 3.7. Thông số đầu vào cho phần tử chịu uốn (có xét đến ảnh hưởng của lực cắt) ................................................................................................................. 124 vii Bảng 4.1. Đặc trưng vật liệu sử dụng trụ 2 cột ................................................ 131 Bảng 4.2. Đặc trưng vật liệu sử dụng trụ 3 cột ................................................ 136 Bảng 4.3. Đặc trưng vật liệu sử dụng dầm liên tục hai nhịp ............................ 139 viii DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1. Cầu dàn BTCT thường (Cầu Sê Rê Pôk cũ- Đăk Lăk) ........................ 1 Hình 1.2. Cầu Roòn- Quốc lộ 1A - Quảng Bình (1985) ...................................... 2 Hình 1.3. Cầu Pá Uôn - Sơn La (2010) ............................................................... 3 Hình 1.4. Cầu Thanh Trì- Hà Nội (2006) ........................................................... 4 Hình 1.5. Cầu Bãi Cháy- Quảng Ninh (2006) ..................................................... 4 Hình 1.6. Cầu Long Biên .................................................................................... 5 Hình 1.7. Cầu Hàm Rồng ................................................................................... 6 Hình 1.8. Trụ Cầu Thăng Long (Hà Nội)............................................................ 7 Hình 1.9. Một số hình dạng điển hình của trụ cầu .............................................. 7 Hình 2.1. Cầu Turnpike sụp đổ ......................................................................... 18 Hình 2.2. Mô hình kết cấu uốn hai cột .............................................................. 29 Hình 2.3. Mặt cắt cột rời rạc ............................................................................. 30 Hình 3.1. Mô hình khung dầm cho kết cấu bê tông cốt thép ............................. 86 Hình 3.2 Phá hoại nén uốn đồng thời ................................................................ 86 Hình 3.3. Phá hoại cắt-uốn đồng thời. (xem [91]) ............................................. 87 Hình 3.4. Quan hệ giữa mô-men giới hạn và lực cắt giới hạn cho một số dạng mặt cắt dầm bê tông cốt thép [43] ..................................................................... 87 Hình 3.5. Quan hệ chuyển vị -biến dạng của dầm theo lý thuyết của Timoshenko và Euler-Bernoulli (nguồn [92]) ....................................................................... 89 Hình 3.6. Mô hình phần tử dầm chịu tác dụng của ngoài lực ............................ 89 Hình 3.7. Hàm dạng mô tả bước nhảy của góc xoay và chuyển vị thẳng đứng trong phần tử .................................................................................................... 95 Hình 3.8. Hàm Heaviside cx H và hàm  x ....................................................... 95 Hình 3.9. Quá trình phá hoại dầm bê tông cốt thép ........................................... 99 Hình 3.10. Mô hình chịu uốn của dầm bê tông cốt thép (xem [22], [78]) .......... 99 Hình 3.11. Mô hình quan hệ lực cắt – biến dạng cắt trượt (xem [78]) ............. 100 ix Hình 3.12. Phân lớp dầm và trạng thái ứng suất, biến dạng tại một điểm........ 101 Hình 3.13. Trạng thái ứng suất- biến dạng tại một phân tố trên dâm............... 102 Hình 3.14. Vòng tròn Mohr ứng suất và vòng tròn Mohr biến dạng tại lớp đang xét .................................................................................................................. 102 Hình 3.15. Trạng thái biến dạng của dầm khi chịu cắt và uốn đồng thời ........ 103 Hình 3.16 Biều đồ ứng suất – biến dạng của bê tông theo mô hình vật liệu của Vecchio và Collins ([33], [44]) ....................................................................... 105 Hình 3.17 Biều đồ ứng suất – biến dạng của thép (đàn hồi – dẻo lý tưởng) .... 106 Hình 3.18. Sơ đồ thuật toán xác định trạng thái ứng suất-biến dạng của dầm BTCT ............................................................................................................. 108 Hình 3.19. Mô-đun nhập số liệu đầu vào (kích thước, thông số vật liệu dầm) 110 Hình 3.20. Mô-đun nhập số liệu đầu vào(lực cắt, lực dọc trục) ...................... 110 ....................................................................................................................... 111 Hình 3.21. Kết quả đường cong mô-men/độ cong (M- к) ............................... 111 Hình 3.22. Đường cong M- к của dầm phụ thuộc vào lực dọc trục trong dầm 111 Hình 3.23. Đường cong M- к của dầm phụ thuộc vào lực cắt trong dầm ........ 112 Hình 3.24. Bố trí cốt thép trong dầm thí nghiệm ............................................ 115 Hình 3.25. Công tác chế tạo, gia công dầm thí nghiệm ................................... 115 Hình 3.26 Sơ đồ gia tải dầm (uốn 4 điểm) ...................................................... 116 Hình 3.27. Đường cong quan hệ ứng suất- biến dạng cho bê tông dầm (f’c =36.08MPa) ................................................................................................... 117 Hình 3.28. Đường cong quan hệ ứng suất- biến dạng cho cốt thép (fy = 523.67MPa) .................................................................................................... 118 Hình 3.29 (a) Biểu đồ biến dạng trên dầm ...................................................... 119 Hình 3.29 (b) Biểu đồ ứng suất trên dầm tại trạnig thai mô-men nứt .............. 119 Hình 3.30 (a) Biểu đồ biến dạng trên dầm khi ứng suất ở vùng cốt thép chịu kéo đạt đến giới hạn chảy........................................................................................... i Hình 3.30 (b) Biểu đồ ứng suất trên mặt cắt ngang dầm khi ứng suất ở vùng cốt thép chịu kéo đạt đến giới hạn chảy ................................................................ 120 x Hình 3.31 (a) Biến dạng trong bê tông khi ứng suất ở vùng nén bê tông đạt đến giới hạn nén .................................................................................................... 121 Hình 3.31 (b) Ứng suất trong bê tông khi ứng xuất ở vùng nén bê tông đạt đến giới hạn .......................................................................................................... 121 Hình 3.32. Quan hệ mô-men độ cong của phần tử dầm ứng với các giá trị lực cắt khác nhau ....................................................................................................... 122 Hình 3.33. Mô-men giới hạn của dầm giảm xuống khi lực cắt tăng ................ 123 Hình 3.34. Đánh số phần tử và đánh số nút cho mô hình dầm. ....................... 124 Hình 3.35. Biểu đồ phân phối mô-men và lực cắt trên dầm tại thời điểm chuyển vị cưỡng bức bằng 5cm (mô hình thứ nhất) .................................................... 125 Hình 3.36. Biểu đồ độ võng và góc xoay trên dầm ở thời điểm chuyển vị cưỡng bức bằng 5cm tại vị trí đặt lực (mô hình thứ nhất) ......................................... 125 Hình 3.37. Biểu đồ phân phối mô-men và lực cắt trên dầm tại thời điểm chuyển vị cưỡng bức bằng 5cm tại vị trí đặt lực (mô hình thứ 2) ................................ 126 Hình 3.38. Biểu đồ độ võng và góc xoay trên dầm ở thời điểm chuyển vị cưỡng bức bằng 5cm (mô hình thứ hai) ..................................................................... 126 Hình 3.39. Biểu đồ lực/độ võng của dầm theo kết quả mô hình hóa ............... 127 Hình 3.40 Kết quả nén dầm trong phòng thí nghiệm ...................................... 127 Hình 3.41.Kết quả từ mô hình phân tích (phóng đại 1000 lần) ....................... 128 Hình 3.42 So sánh kết quả mô hình hóa với đường cong lực /độ võng của dầm ..................................................................................................