ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM ****o0o**** HOÀNG TÙNG LÂM NGHIÊN CỨU TỈ LỆ HP LÍ GIỮA ĐƯỜNG TÊN VÀ CHIỀU DÀI NHỊP CHÍNH CỦA CẦU VÒM ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG NHỊP CÓ MẶT CẦU CHẠY GIỮA CHUYÊN NGÀNH : XÂY DỰNG CẦU, HẦM MÃ SỐ NGÀNH : 60 58 25 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HCM , THÁNG 10 NĂM 2010 CÔNG TRÌNH ĐƯC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học : TS PHÙNG MẠNH TIẾN Cán chấm nhận xét : TS LƯU BÂN Cán chấm nhận xét : TS ĐẶNG ĐĂNG TÙNG Luận văn Thạc só bảo vệ : HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, Ngày………tháng………năm 2010 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc -oOo Tp HCM, ngày tháng 10 năm2010 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: HOÀNG TÙNG LÂM Giới tính : Nam Ngày, tháng, năm sinh : 01/01/1983 Nơi sinh :Quảng Trị Chuyên ngành : Xây dựng cầu hầm Khoá (Năm trúng tuyển) : 2007 1- TÊN ĐỀ TÀI: “Nghiên cứu tỉ lệ hợp lí đường tên chiều dài nhịp cầu vòm ống thép nhồi bê tông nhịp có mặt cầu chạy giữa” 2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN: Thông qua phân tích tính toán với số cầu vòm ống thép nhồi bê tông nhịp L2+L1+L2 (m) có mặt cầu chạy giữa, tìm mối liên hệ tỷ lệ đường tên chiều dài nhịp hợp lí để lượng thép cường độ cao sử dụng dây treo, dây căng ngang chân vòm nhỏ 3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : TS PHÙNG MẠNH TIẾN Nội dung đề cương Luận văn thạc só Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH TS PHÙNG MẠNH TIẾN LỜI CẢM ƠN Luận văn “ Nghiên cứu tỉ lệ hợp lí đường tên chiều dài nhịp cuẩ cầu vịm ống thép nhồi bê tơng nhịp có mặt cầu chạy giữa” thực từ tháng 01/2010 đến tháng 07/2010 với mục đích nghiên cứu ảnh hưởng tỉ lệ đường tên chiều dài nhịp đến nội lực treo nội lực căng (ảnh hưởng đến lượng thép cường độ cao sử dụng cầu) Tôi xin tỏ lòng biết ơn đặc biệt tới TS PHÙNG MẠNH TIẾN, người tận tình dẫn tơi suốt trình tìm hiểu, nghiên cứu thực luận văn Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn chân thành tới thầy Bộ môn Cầu Đường Trường Đại học Bách khoa Tp Hồ Chí Minh dành nhiều thời gian góp ý giúp tơi hồn thiện luận văn Xin cảm ơn gia đình, người thân, bạn bè đồng nghiệp tạo điều kiện, động viên, giúp đỡ ngày tháng học tập nghiên cứu Vì thực tế thời gian thực luận văn có hạn chế nên khơng tránh khỏi hạn chế thiếu sót Tơi mong đóng góp q Thầy giáo, bạn bè đồng nghiệp để luận văn hoàn thiện Xin chân thành cảm ơn! TÁC GIẢ LUẬN VĂN HOÀNG TÙNG LÂM Luận văn thạc sĩ GVHD: TS.Phùng Mạnh Tiến TÓM TẮT LUẬN VĂN Luận văn bao gồm 05 chương chính: Chương 1: Tổng quan kết cấu ống thép nhồi bê tơng cầu vịm ống thép nhồi bê tông Giới thiệu phát triển kết cấu ống thép nhồi bê tông xây dựng cầu đường giới Việt Nam Chương 2: Tính học kết cấu ống thép nhồi bê tơng cấu tạo cầu vịm ống thép nhồi bê tơng Phân tích tính học kết cấu ống thép nhồi bê tông Giới thiệu trạng thái học lõi bê tông, đặ điểm kết cấu ống thép nhồi bê tông tính chịu lực cấu kiện chịu nén dọc trục Giới thiệu số cách phân loại cầu vịm ống thép nhồi bê tơng số đặc điểm cấu tạo cấu kiện cầu vòm ống thép nhồi bê tơng Chương 3: Lý thuyết tính tốn cầu vịm ống thép nhồi bê tơng Giới thiệu bước tính tốn cầu vịm ống thép nhồi bê tơng: Chọn sơ kích thước cấu kiện; Mơ hình hóa kết cấu, phân tích giai đoạn làm việc kết cấu; Tính tốn nội lực q trình thi cơng sử dụng; Kiểm tốn tiết diện kiểm tra điều kiện ổn định kết cấu Chương 4: Nghiên cứu tỷ lệ hợp lý đường tên vòm chủ chiều dài nhịp cầu vịm ống thép nhồi bê tơng nhịp có mặtcầu chạy Trên sở ngun lý tính tốn cầu vịm ống thép nhồi bê tơng trình bày chương III, phạm vi đề tài xây dựng mô hình tính tốn cho cầu vịm ống thép nhồi bê tơng nhịp với độ L2+L1+L2 m (nhịp L1 dài có mặt cầu chạy giữa, nhịp biên L2 ngắn có mặt cầu chạy trên) Kết cấu vịm khơng khớp, hệ dầm mềm vịm cứng có mặt phẳng vòm song song, thẳng đứng, liên kết hệ giằng ngang Để tính tốn chiều cao kinh tế vòm, thay đổi chiều cao vịm nhịp (tỉ lệ đường tên nhịp đường tên nhịp biên khơng thay đổi), giữ nguyên kích thước cấu kiện khác So sánh tiêu kinh tế để tìm chiều cao kinh tế Cùng loại kết cấu nhịp, dầm mặt cầu có cấu tạo giống nhau, kích thước tiết diện vịm nhau, chênh lệch giá thành cơng trình phụ thuộc vào lượng thép Học viên: Hồng Tùng Lâm Luận văn thạc sĩ GVHD: TS.Phùng Mạnh Tiến cường độ cao sử dụng cơng trình Với kết cấu cầu nói trên, lượng thép cường độ cao mơ hình chiều cao vịm thay đổi sai khác lượng thép sử dụng làm treo vòm lượng thép sử dụng để làm căng ngang Như vậy, so sánh tiêu kinh tế mơ hình vịm, ta so sánh lượng thép cường độ cao sử dụng mơ hình Trong phạm vi đề tài, tác giả sử dụng chương trình Midas Civil 2006 để nghiên cứu tính tốn với sơ đồ cầu 45+200+45 (m), tỉ lệ f2/f1=0.19 0.25 Chương 5: Kết luận kiến nghị Học viên: Hoàng Tùng Lâm Luận văn thạc sĩ GVHD: TS.Phùng Mạnh Tiến KẾT CẤU LUẬN VĂN LỜI MỞ ĐẦU .1 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG VÀ CẦU VỊM ỐNG THÉP NHỒI BÊ TƠNG 1.1 Cấu tạo kết cấu ống thép nhồi bê tông (CFST) 1.2 Lịch sử phát triển kết cấu ống thép nhồi bê tông xây dựng cầu đường CHƯƠNG II: .8 TÍNH NĂNG CƠ HỌC CỦA KẾT CẤU ỐNG THÉP NHỒI BÊ TƠNG VÀ CẤU TẠO CẦU VỊM ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG 2.1 Phân tích tính học kết cấu ống thép nhồi bê tông 2.1.1 Trạng thái học lõi bê tông 2.1.2 Đặc điểm kết cấu ống thép nhồi bê tông 12 2.1.3 Tính chịu lực cấu kiện chịu nén dọc trục .13 2.2 Phân loại kết cấu nhịp cầu vòm ống thép nhồi bê tông 16 2.2.1 Phân loại kết cấu nhịp theo cao độ tương đối xe 16 2.1.2 Phân loại kết cấu nhịp theo sơ đồ tĩnh học 19 2.2.3 Phân loại kết cấu nhịp theo ứng xử kết cấu 21 2.2.3.1 Kết cấu cầu vòm ống thép nhồi bê tơng dạng dầm cứng, vịm mềm 21 2.2.3.2 Kết cấu cầu vịm ống thép nhồi bê tơng dạng dầm cứng, vòm cứng 23 2.2.2.3 Kết cấu cầu vòm ống thép nhồi bê tơng dạng vịm cứng, dầm mềm (đối tượng nghiên cứu đề tài ) 24 2.3 Đặc điểm cấu tạo cấu kiện cầu vòm ống thép nhồi bê tông .26 2.3.1 Kết cấu vòm 26 2.3.1.1 Hệ mặt phẳng vòm: .27 2.3.1.2 Tiết diện sườn vịm ống thép nhồi bê tơng 28 2.3.1.3 Phương trình đường tim vòm chủ .31 2.3.2 Kết cấu hệ mặt cầu, cột đứng, treo hệ treo .32 2.3.2.1 Hệ mặt cầu 32 2.3.2.2 Hình thức cột đứng, hệ treo 38 2.3.2.3 Chân vòm 42 CHƯƠNG III: 43 LÝ THUYẾT TÍNH TỐN CẦU VỊM ỐNG THÉP NHỒI BÊ TƠNG 43 3.1 Chọn sơ kích thước tiết diện 43 3.1.1 Kết cấu vòm 43 3.1.2 Thanh treo, cột đứng 43 3.1.3 Hệ dầm mặt cầu .44 3.2 Mơ hình làm việc 44 3.3 Tính toán nội lực kết cấu .47 3.3.1 Tính tốn phân bố tải trọng ngang 47 3.3.2 Tính nội lực tĩnh tải 47 3.3.3 Tính nội lực cho hoạt tải 48 3.3.4 Tính tốn mặt cắt vịm khơng khớp 49 3.3.5 Nội lực phát sinh yếu tố co ngót, nhiệt độ, từ biến 54 Học viên: Hoàng Tùng Lâm i Luận văn thạc sĩ GVHD: TS.Phùng Mạnh Tiến 3.3.5.1 Nội lực phát sinh co ngót 54 3.3.5.2 Nội lực phát sinh nhiệt độ 54 3.3.5.3 Nội lực phát sinh từ biến 55 3.4 Kiểm toán tiết diện .59 3.4.1 Cách lấy nội lực để kiểm toán tiết diện 59 3.4.2 Nội dung kiểm toán toán tiết diện .59 3.4.3 Lực chịu tải giới hạn ổn định ngồi mặt phẳng vịm 62 CHƯƠNG IV: 64 NGHIÊN CỨU TỈ LỆ HỢP LÍ GIỮA ĐƯỜNG TÊN VỊM CHỦ VÀ CHIỀU DÀI NHỊP CHÍNH CỦA CẦU VỊM ỐNG THÉP NHỒI BÊ TƠNG NHỊP CĨ MẶT CẦU CHẠY GIỮA 64 4.1 Đối tượng nghiên cứu .64 4.1.1 Sơ đồ cầu 64 4.1.2 Phương trình đường tên vịm chủ 65 4.1.3 Hình dạng, kích thước cấu kiện 65 4.1.4 Thơng số vật liệu, tải trọng phân tích 66 4.1.4.1 Thông số vật liệu .66 4.1.4.2 Tải trọng phân tích 67 4.2 Mơ hình hóa kết cấu 68 4.3 Tính tốn với số sơ đồ cầu 45+200+45 (m) tỉ lệ f2/f1=0.19 69 4.3.1 Khái quát nội dung tính tốn 69 4.3.2 Nội lực treo 69 4.3.3 Nội lực vành vòm 76 4.3.4 Lực dọc vành vòm vị trí qua mặt cầu 79 4.3.5 Khối lượng thép cường độ cao dùng cho căng dây treo .80 4.4 Tính toán với sơ đồ cầu 45+200+45 (m) tỉ lệ f2/f1=0.25 89 4.4.1 Nội lực treo 90 4.4.2 Nội lực vành vòm 96 4.4.3 Lực dọc vành vịm vị trí qua mặt cầu 100 4.4.4 Khối lượng thép cường độ cao dùng cho căng dây treo 101 CHƯƠNG V: 111 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .111 5.1 Kết luận 111 5.2 Kiến nghị 112 5.3 Hướng nghiên cứu tiếp .112 TÀI LIỆU THAM KHẢO 114 TÓM TẮT LÝ LỊCH KHOA HỌC .115 Học viên: Hoàng Tùng Lâm ii Luận văn thạc sĩ GVHD: TS.Phùng Mạnh Tiến LỜI MỞ ĐẦU Kết cấu ống thép nhồi bê tông kết cấu hỗn hợp gồm ống thép lõi bê tơng làm việc Đây kết cấu có nhiều ưu điểm làm tăng độ bền vỏ thép, tận dụng tối đa khả chịu nén bê tông nhờ phát huy khả chịu nén trục, kết hợp khả chịu kéo ống thép, tính ổn định cấu kiện tốt Kết cấu ống thép nhồi bê tông đáp ứng yêu cầu chịu lực cao, độ cứng lớn, trọng lượng thân kết cấu nhẹ Kết cấu ống thép nhồi bê tông làm việc hiệu chịu nén Giá thành tổng thể cơng trình làm kết cấu ống thép nhồi bê tơng nói chung nhỏ nhiều so với giá thành cơng trình tương tự làm kết cấu bê tông cốt thép kết cấu thép thông thường tiết kiệm vật liệu đơn giản q trình thi cơng Kết cấu cho phép giảm tới 45% khối lượng thép so với cầu thép loại Từ cầu vòm sử dụng kết cấu ống thép nhồi bê tông xuất lần Paris năm 1931, với nhịp 9m, nay, kết cấu cầu vòm ống thép nhồi bê tông xuất số nước giới (Nga, Trung Quốc, …), độ nhịp vượt từ 100 – 400m Tại Việt Nam, cầu Ơng Lớn, cầu Cần Giuộc, Cầu Xóm Củi - nhịp 90m - Thành Phố Hồ Chí Minh cơng trình cầu áp dụng kết cấu vịm ống thép nhồi bê tơng liên hợp vào cuối năm 2003 Một số cầu Cầu Gị Dầu vượt nhịp 80m, hồn thành năm 2005; Cầu Đồng Trù thiết kế, Cầu Trần Thị Lý Đà Nẵng đề xuất phương án thiết kế sơ bộ, vài cầu khác bắc qua sông Lam Nghệ An, Bắc qua sông Mã Thanh Hóa đề xuất để lựa chọn phương án kết cấu Từ đặc tính ưu việt, hiệu việc sử dụng vật liệu tổng mức đầu tư xây dựng sử dụng kết cấu ống thép nhồi bê tông công trình cầu; từ q trình phát triển cầu vịm giới xu hướng phát triển Việt Nam, việc nghiên cứu ứng dụng kết cấu ống thép nhồi bê tơng kết cấu cầu vịm việc cần thiết có nhiều ứng dụng thực tiễn vào Việt Nam Hiện nay, có số đề tài nghiên cứu cầu vòm cầu vịm ống thép nhồi bê tơng như: - Nghiên cứu đặc điểm cấu tạo, tính tốn, cơng nghệ thi cơng cầu vịm ống thép nhồi bê tơng Học viên: Hồng Tùng Lâm Luận văn thạc sĩ - GVHD: TS.Phùng Mạnh Tiến Ảnh hưởng tiết diện chiều cao vòm đến nội lực cầu vịm ống thép nhồi bê tơng ( cầu vòm chạy dưới); - Nghiên cứu sơ đồ bố trí dây treo; - Nghiên cứu cơng nghệ chế tạo vịm cầu vịm ống thép nhồi bê tơng; - Nghiên cứu ảnh hưởng độ nghiêng vòm… Cầu vịm cầu vịm ống thép nhồi bê tơng có nhiều dạng kết cấu khác Tuy nhiên, hạn chế thời gian thực hiện, nên phạm vi luận văn thạc sỹ tập trung nghiên cứu đối tượng sau: - Cầu vòm ống thép nhồi bê tơng nhịp có mặt cầu chạy (chạy nhịp chính, chạy nhịp biên) - Cầu có mặt phẳng vịm song song, thẳng đứng liên kết giằng hệ giằng ngang phía - Hệ kết cầu dầm mềm vịm cứng kết cấu cầu vịm khơng khớp Mục tiêu nghiên cứu đề tài thơng qua phân tích, tính tốn với kết cấu vịm nhịp L2+L1+L2 (m) với đặc trưng nêu trên, tìm tỉ lệ hợp lí đường tên vịm chủ nhịp f1 chiều dài nhịp L1 Nội lực tiến hành phân tích phạm vi đề tài chủ yếu lực dọc vòm chủ, lực kéo căng dây treo Với sơ đồ cầu ta thay đổi đường tên vịm chủ f1 nhịp ( đường tên f2 nhịp biên thay đổi cho tỉ lệ f2/f1 khơng đổi, giữ ngun hình dạng kích thước cấu kiện), ứng với giá trị f1 ta đưa kết lực dọc vòm chủ lực kéo căng, từ ta xác định lượng thép cường độ cao cần sử dụng Khảo sát biến thiên đường tên để tìm chiều cao kinh tế vịm chủ Học viên: Hoàng Tùng Lâm Luận văn thạc sĩ GVHD: TS.Phùng Mạnh Tiến Hình 4.59: Biểu đồ lực dọc tĩnh tải với f1/L1=0.35(f2/f1=0.25) Hình 4.60: Biểu đồ lực dọc hoạt tải với f1/L1=0.35(f2/f1=0.25) Học viên: Hoàng Tùng Lâm 110 Luận văn thạc sĩ GVHD: TS.Phùng Mạnh Tiến CHƯƠNG V: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 5.1 Kết luận Sau phân tích tính tốn cho cầu vịm ống thép nhồi bê tơng nhịp có mặt cầu chạy với sơ đồ L2 + L1 + L2 = 45+200+45 (m), tỉ lệ f2/f1=0.19, 0.25 (trong f2 đường tên nhịp biên L2, f1 đường tên nhịp L1), ứng với tỉ lệ ta nghiên cứu trường hợp ( f1 =30, 40, 45, 50, 60, 70m), kết nghiên cứu luận văn cho thấy lượng thép cường độ cao ( căng treo) thay đổi theo tỉ lệ f1/L1 (tỉ lệ đường tên vịm chủ chiều dài nhịp chính) f1/L1 nằm khoảng 1/5 đến 1/4 lượng thép cường độ cao sử dụng nhỏ Ống thép nhồi bê tông cấu kiện liên hợp phát huy tối đa khả chịu nén bê tông bê tông làm việc chịu nén kiềm chế trục Mặt khác, kết cấu ống thép nhồi bê tông tăng cường khả chịu uốn cục đặc biệt với tiết diện hình trịn Việc nhồi bê tơng vào ống thép nâng cao tính động lực, phịng lửa tốt, độ bền chống ăn mòn mặt ống thép, làm giảm độ mảnh cấu kiện, làm tăng độ ổn định cục thành ống làm tăng khả chống móp, méo (biến dạng) vỏ thép bị va đập Với khả làm việc ống thép nhồi bê tông, áp dụng cấu kiện vào kết cấu vòm cầu vòm hiệu kết cấu vòm phần lớn làm việc chịu nén chịu uốn cục Các loại cầu vịm ống thép nhồi bê tơng có tính thẩm mỹ cao, mảnh, sử dụng vật liệu loại cầu khác Cầu vịm ống thép nhồi bê tơng ứng dụng vào cầu vượt đê, cầu vượt đường đô thị Việc lựa chọn sơ đồ kết cấu cần phối hợp yếu tố địa hình, khổ thơng thuyền, địa chất Ví đụ loại cầu vòm thành phố, địa chất xấu, việc ứng dụng kết cấu ống thép nhồi bê tông vào dạng cầu vịm vịm cứng dầm mềm có căng vượt nhịp lớn nhiều so với kết cấu cầu vịm thơng thường cầu vịm ống thép nhồi bê tơng khác Việc lựa chọn kích thước hình học tiết diện vòm, phụ thuộc vào chiều dài nhịp bề rộng mặt cầu Với cầu nhịp