Kết cấu vòm ống thép nhồi bê tông ứng dụng cho công trình cầu đồng điền tp HCM

TỔNG QUAN VỀ CẦU VÒM

TÌNH HÌNH PHÁT TRIỂN CẦU VÒM TRÊN THẾ GIỚI

Cầu vòm đá, xuất hiện từ rất sớm trước Công Nguyên, là một trong những kết cấu cầu đầu tiên trong lịch sử Được xây dựng từ những tảng đá xếp chồng lên nhau, cầu vòm chủ yếu chịu lực nén, với lực kéo rất nhỏ không ảnh hưởng đáng kể đến cấu trúc Do vật liệu đá, cầu có trọng lượng nặng, vượt nhịp nhỏ và bề rộng mặt cầu hẹp Nhiều cây cầu loại này, như cầu Sommieres, cầu An Tê và cầu Lune, được xây dựng với vẻ đẹp kiến trúc độc đáo.

Cầu Sommieres, nằm trên sông Vidourle, được xây dựng bởi người La Mã vào thế kỷ I sau Công nguyên Cầu được chế tác hoàn toàn từ các khối đá chữ nhật, thể hiện kiến trúc đẹp mắt và bền vững.

Cầu An Tế: còn gọi là cầu Triệu Châu ở Trung Quốc được xây vào năm

605 sau công nguyên Cầu vượt nhịp 37.02m với 28 vòm đá theo chiều ngang

Năm 1991 cầu này được công nhận là di sản văn hoá thế giới

Cầu Lune, được xây dựng từ thế kỷ 12 tại Paris, là một công trình kiến trúc độc đáo với cấu trúc được tạo nên từ các khối đá xếp chồng và chia thành nhiều vòm nhỏ.

Cầu Gard, nằm ở Avignon, Pháp, bắc qua sông Gardon, là một kiệt tác kiến trúc La Mã được xây dựng vào khoảng 50 năm trước Công nguyên Cầu có cấu trúc ba tầng, với chiều cao 49m và chiều dài tổng cộng 275m Tầng thấp nhất gồm 6 vòm dài 142m, tầng giữa có 11 vòm dài 242m, và tầng trên cùng gồm 35 vòm với chiều dài 275m Đây là một minh chứng cho đỉnh cao kỹ thuật xây dựng của người La Mã.

Hình 1-3: Caàu Gard qua soâng Gardon

Caàu Westminster: (Hình 1-4) caàu bắc qua sông Thames bên cạnh tháp

Big Ben tại thành phố London nước

Anh, đây là một trong những cây cầu đá được xây dựng rất muộn vào thế kỷ thứ

Xuất hiện vào cuối thế kỷ 18, thép đã dần thay thế đá, mang lại những cải tiến đáng kể cho kết cấu xây dựng Với vật liệu thép, các công trình trở nên thanh mảnh và phong phú hơn Nhiều cây cầu bằng thép, từ những thiết kế đơn giản đến phức tạp, đã được xây dựng trong thời gian qua, thể hiện sự phát triển vượt bậc của ngành công nghiệp xây dựng.

Ironbridge, caàu Rio Corbe, caàu Dunlaps Creek, caàu Hell Gate, caàu Most

Cầu Ironbridge: (Hình 1-5) cầu được xây dựng vào năm 1779, cầu bắc qua sông River Severn ở Anh Chiều dài nhịp là 30.48m

Cầu Rio Corbe: (Hình 1-6) xây dựng vào năm 1800, thuộc thị trấn

Jamaica ở Tây Ban Nha là cây cầu sắt cổ nhất tại Tây Bán Cầu, được chế tạo từ các tấm sắt đúc Để tăng cường độ cứng cho cấu trúc, các vòng tròn sắt đúc đã được bổ sung vào sườn vòm của cầu.

Hình 1-5: Caàu Ironbridge Hình 1-6: Caàu Rio Corbe

Cầu Dunlaps Creek:(Hình 1-7) được xây dựng vào năm 1839 do các kỹ sư quân đội Mỹ thực hiện, vòm chính dài 24m

Cầu Hell Gate: (Hình 1-8) được xây dựng vào năm 1916 bắc qua Hell

Gate một nhánh của Sông East River, chiều dài nhịp chính là 310m, bề rộng mặt cầu là 30.5m

Cầu Most Apollo, được xây dựng vào năm 2005, bắc qua sông Danube tại Thủ đô Slovakia Đây là cầu vòm thép với hệ dây đan chéo, có chiều dài nhịp chính lên tới 231m Kiểu dáng thanh mảnh và đẹp mắt của cầu hòa quyện hoàn hảo với kiến trúc xung quanh.

Hình 1-8: Caàu Hell Gate Hình 1-9: Caàu Most Appolo

Cầu Bayonne: (Hình 1-10) được xây dựng năm 1931 là cầu nối giữa 2

Bang New York và New Jersey của Mỹ, cầu vòm thép với tổng chiều dài cầu là 1,761m và chiều dài nhịp chính là 504m

1.1.3 Cầu vòm bê tông cốt thép (BTCT)

Cuối thế kỷ 19, sự kết hợp giữa bê tông và thép đã được chứng minh là hiệu quả, tạo ra vật liệu có khả năng chịu nén và kéo tốt Sự phát triển của công nghệ vật liệu đã thúc đẩy ứng dụng rộng rãi của loại vật liệu này trong xây dựng.

BTCT nhiều cây cầu vòm loại này đã được xây dựng như: cầu Bixby Creek, caàu Chaâtelleùrault, caàu Bloukrans, caàu Wild Gera Viaduct, caàu New Svinesund

Cầu Châtellérault, được xây dựng tại Pháp vào năm 1900, là cây cầu vòm bê tông cốt thép đầu tiên trên thế giới Cây cầu này có nhịp trung tâm dài 54m và hai nhịp bên dài 40m.

Cầu Bixby Creek: (Hình 1-11) được xây dựng vào năm 1932 thuộc

Bang California nước Mỹ, chiều dài nhịp chính vòm BTCT là 110m, tổng chiều dài cầu là 218m

Cầu Bloukrans, được xây dựng vào năm 1984, bắc qua thung lũng Nature's Valley tại Nam Phi, có tổng chiều dài 451m và nhịp vòm chính dài 272m Mặt cầu nằm ở độ cao 216m so với mặt sông Bloukrans.

Cầu Wild Gera Viaduct: (Hình 1-13) cầu vượt qua sông Wilde Gera nước Đức, được xây vào năm 2000 Tổng chiều dài cầu 552m, chiều dài nhịp chính bằng vòm BTCT dài 252m

Cầu New Svinesund Bridge: (Hình 1-14) cầu được xây vào năm 2005 ở

Thụy Điển, tổng chiều dài cầu 704m với chiều dài nhịp chính 247m

Hình 1-13: Caàu Wild Gera Viaduct Hình 1-14: Caàu New Svinesund Bridge

Hiện nay, sự tiến bộ vượt bậc của khoa học kỹ thuật, đặc biệt trong lĩnh vực kết cấu và công nghệ vật liệu, đã dẫn đến việc xây dựng nhiều cầu vòm với đa dạng kiểu dáng và vật liệu Những cây cầu này không chỉ có khả năng vượt nhịp lớn mà còn mang tính thẩm mỹ cao, thường được coi là biểu tượng văn hóa của các quốc gia.

Một số cầu vòm hiện đại đã được xây dựng trong thời gian gần đây như : cầu

Sydney Habour, caàu Ponte Bisantis, caàu Lupu, caàu Silver Jubilee, caàu

Cầu Sydney Habour: (Hình 1-15) được xây dựng ở Úc với tổng chiều dài

Cầu dài 1,149m, với nhịp chính đạt 503m, được xây dựng để dẫn tới nhà hát Opera Kể từ khi hoàn thành, cầu và tòa nhà Opera House đã trở thành biểu tượng nổi bật của nước Úc.

16) là loại cầu vòm BTCT được xây dựng ở Ý với tổng chiều dài cầu

468m, trong đó chiều dài nhịp chính

231m Cầu được thiết kế với kiến trúc thanh mảnh mang tính thẩm mỹ raát cao

Cầu Lupu, cây cầu vòm thép dài nhất thế giới, bắc qua sông Huangpu tại Thượng Hải, Trung Quốc, được khánh thành vào năm 2003 Với tổng chiều dài 3,900m, trong đó nhịp chính dài 550m, cầu Lupu không chỉ là một công trình kiến trúc ấn tượng mà còn là biểu tượng của sự phát triển hạ tầng giao thông tại thành phố này.

18) là cây cầu vòm thép vượt qua sông Mersey ở United Kingdom, nhịp chính cầu dài 330m

Cầu Juscelino Kubitschek là một cây cầu vòm thép độc đáo được xây dựng vào năm 2002 tại Brazil, với tổng chiều dài 1.200m và chiều dài nhịp chính đạt 240m.

Cầu Fehmarnsund: (Hình 1-20) là cầu vòm thép vượt sông Fehmarnsund ở Đức, tổng chiều dài cầu 963m trong đó chiều dài nhịp chính 248m

TÌNH HÌNH PHÁT TRIỂN CẦU VÒM Ở VIỆT NAM

So với sự phát triển cầu vòm trên thế giới, Việt Nam vẫn còn chậm hơn Một số cầu vòm đã được xây dựng từ thế kỷ 20, hiện tại, nước ta có những cây cầu vòm tiêu biểu như cầu Ròn, cầu Hàm Rồng và cầu Ông.

Cầu Xóm Củi, cầu Cần Giuộc và nhiều cầu khác đang được xây dựng hoặc có dự án trong tương lai như cầu Đông Trù, cầu Hàn và cầu Hùng Vương sẽ góp phần quan trọng vào sự phát triển hạ tầng giao thông.

Cầu Ròn:(Hình 1-21) hoàn thành 1985 trên tuyến QL1A thuộc địa phận tỉnh Quảng Bình – là dạng cầu vòm bê tông cốt thép

Cầu Ông Lớn, một cây cầu vòm ống thép nhồi bê tông, được xây dựng gần đây tại Quận 7, TP HCM, có tổng chiều dài 640.88m, trong đó chiều dài vòm chính là 99.1m.

Cầu Êoông Truứ (Hình 1-23) là một dự án cầu quan trọng được thiết kế bởi TEDI, nằm trong tổng thể dự án quốc lộ 5 kéo dài Công trình này không chỉ là cầu bắc qua sông Êoông mà còn đóng góp vào sự phát triển hạ tầng giao thông của Thủ Đô Hà Nội.

Nội Cầu gồm 3 nhịp chính là vòm keát caáu oáng theùp nhoài beâ toâng

Hỡnh1-23: Moõ hỡnh caàu ẹoõng Truứ

Cầu Hùng Vương: (Hình 1-24) dự án xây dựng cầu Hùng Vương vượt sông Đà Rằng ở Thành Phố Tuy Hoà, dự án được thiết kế do liên danh giữa

Công ty Tư vấn thiết kế giao thông vận tải Phía Nam và Đại học Phúc Châu

Cầu dài 1,280m tại Thành phố Tuy Hoà, với 5 nhịp cầu chính sử dụng kết cấu vòm ống thép nhồi bê tông, không chỉ là tuyến giao thông quan trọng mà còn là công trình kiến trúc mang tính thẩm mỹ cao, tạo điểm nhấn cho thành phố.

Hỡnh 1-24: Moõ hỡnh caàu Huứng Vửụng

TÌNH HÌNH PHÁT TRIỂN CẦU VÒM ỐNG THÉP NHỒI BE ÂTÔNG

Cầu vòm ống thép nhồi bê tông, mặc dù xuất hiện muộn hơn so với các loại cầu vòm khác, đã phát triển mạnh mẽ vào cuối thế kỷ 20 và đầu thế kỷ 21 Sự phát triển này được thúc đẩy bởi hiệu quả rõ rệt của việc kết hợp giữa vỏ thép và lõi bê tông Quá trình phát triển của loại cầu này có thể được chia thành hai giai đoạn chính.

Cầu vòm ống thép nhồi bê tông đầu tiên được xây dựng vào năm 1931 ở ngoại ô phía Đông Paris, với nhịp dài 9m Đến năm 1936, cầu vượt sông Nêva tiếp tục được xây dựng, đánh dấu sự phát triển trong công nghệ cầu.

Giai đoạn hưng thịnh của cầu ống thép nhồi bê tông diễn ra mạnh mẽ ở Trung Quốc vào cuối thế kỷ 20 và đầu thế kỷ 21 Nhiều loại cầu với thiết kế đa dạng và tính thẩm mỹ cao đã được xây dựng, nổi bật như cầu Cảng Xiên (Tô Châu), cầu Yanjisha và cầu Yongjiang, cho phép vượt nhịp lớn.

Cầu Yanjisha: (Hình 1-25) cầu được xây dựng vào năm 2000 ở Trung

Quốc, tổng chiều dài cầu 1,084m trong đó nhịp dài nhất dài 360m; kết cấu nhịp chính sử dụng vòm ống thép nhồi bê tông dạng vòm xe chạy giữa

Cầu Beipanjiang: (Hình 1-26) cầu được xây dựng vào năm 2001 ở Trung

Cầu Quốc có tổng chiều dài 486m, trong đó nhịp chính dài 236m Nhịp chính được thiết kế dạng vòm với xe chạy ở dưới, sử dụng kết cấu vòm bằng ống thép nhồi bê tông.

Caàu Yongjiang: (Hình 1-27) cầu được xây dựng vào năm 1996 ở

Trung Quoác, keát caáu nhòp chính dạng vòm ống thép nhồi bê tông, vòm xe chạy giữa với chiều dài lớn nhất là 312m

VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

Cấu trúc cầu vòm ống thép nhồi bê tông mang lại nhiều ưu điểm nổi bật, bao gồm khả năng chịu lực tốt, tính thẩm mỹ cao và hiệu quả kinh tế Những lợi ích này đã được chứng minh qua việc ứng dụng rộng rãi trong các công trình tại các nước phát triển.

Mỹ, Canada, Pháp, Nga và Trung Quốc đã xây dựng nhiều cầu có kết cấu ống thép nhồi bê tông, và tại TP Hồ Chí Minh, loại cầu này đã chứng minh hiệu quả về kinh tế, kỹ thuật và thẩm mỹ Tuy nhiên, việc áp dụng kết cấu này ở Việt Nam vẫn còn ở giai đoạn đầu và chưa chủ động Do đó, nghiên cứu và bổ sung các kết quả trước đây về kết cấu này là cần thiết Đề tài luận văn nghiên cứu kết cấu ống thép nhồi bê tông và ứng dụng vào xây dựng cầu Đồng Điền, tập trung phân tích cơ chế chịu lực, phương pháp tính nội lực cầu vòm ống thép nhồi bê tông có thanh kéo, kiểm tra khả năng chịu lực của tiết diện sườn vòm, và phân tích khối chân vòm bằng phương pháp phần tử hữu hạn Các kết quả nghiên cứu này sẽ được ứng dụng thực tiễn trong xây dựng cầu Đồng Điền tại TP.HCM.

VẬT LIỆU VÀ KHẢ NĂNG CHỊU LỰC CỦA ỐNG THÉP NHỒI BEÂ TOÂNG

VẬT LIỆU ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG

2.1.1 Beâ toâng nhoài trong oáng theùp

Bê tông nhồi trong ống theo nhiều tài liệu khuyên dùng có cường độ chịu nén tiêu chuẩn 28 ngày fc ≥ 300 kN/cm 2 (đối với mẫu lập phương

Bê tông có kích thước 150x150x150mm thường được sử dụng cho các công trình chịu tải trọng lớn, với cường độ từ fc@0, 500, 600 đến 700 kN/cm² Hiện nay, tại Việt Nam, việc sản xuất bê tông có cường độ cao trên 500 kN/cm² đã trở nên khả thi.

Bê tông nhồi trong ống thép không chỉ yêu cầu về cường độ chịu nén mà còn cần đảm bảo độ sụt, tỷ lệ nước trên ximăng, và thành phần hạt bê tông phù hợp với các phương pháp thi công Có ba phương pháp nhồi bê tông chính: bơm đẩy lên, đổ thẳng đứng kết hợp với đầm thủ công, và ném thả từ trên cao không đầm rung Mỗi phương pháp thi công này đều có những yêu cầu riêng về tính chất bê tông cần được đáp ứng.

Phương pháp bơm đẩy và ném thả từ trên cao không đầm yêu cầu hạt cốt liệu thô có kích thước từ 0.5 đến 3cm, với tỷ lệ nước trên ximăng không vượt quá 0.45 và độ sụt tối thiểu là 15cm Để đạt được độ sụt này, cần sử dụng chất phụ gia giảm nước, đồng thời có thể thêm một lượng nhỏ chất phụ gia trương nở để tăng cường sự trương nở của bê tông.

− Phương pháp đổ thẳng đứng, đầm thủ công: hạt cốt liệu thô có thể dùng 1-4cm; tỷ lệ nước ximăng không lớn hơn 0.4; độ sụt từ 2-4cm [7]

Vật liệu vỏ ống thép thông thường sử dụng thép hợp kim thấp theo tiêu chuẩn 22TCN 272 – 05 hoặc các loại thép theo qui trình CECS 28 – 90 của

Trung Quốc sản xuất nhiều loại thép như thép số 3, thép 16 Mn và thép 15MnV Vỏ ống thép có thể được chế tạo từ các ống thép sẵn có hoặc cuốn từ thép tấm Theo tài liệu thông thường, thép sử dụng có cường độ giới hạn chảy từ 225 đến 450 MPa.

Đường kính ngoài của ống thép nhồi bê tông phải đạt tối thiểu 100mm, với độ dày vách ống không nhỏ hơn 4mm Thông thường, bề dày của ống thép dao động từ 5-20mm, tùy thuộc vào kích thước của ống.

Tỷ lệ đường kính ngoài và bề dày ống thép d/t nên giới hạn trong khoảng

20 đến 35 235 / f y ; fy #5 N/mm 2 với thép số 3, fy 45 N/mm 2 với thép

Thép 16Mn với fy 90 N/mm² và thép 15MnV được sử dụng cho các cột chịu trọng lượng, với tỷ số d/t khoảng 70 cho cột và 25 cho kết cấu dàn cứng Ống thép cần có chứng từ hợp cách xuất xưởng hoặc báo cáo thí nghiệm và phải đáp ứng yêu cầu thiết kế bản vẽ thi công Thép chế tạo ống phải phẳng, thẳng, không có bề mặt rỉ sét hay chịu va đập Bên trong ống thép không được dính mỡ để đảm bảo liên kết chặt chẽ giữa lõi bê tông và vỏ thép Tất cả ống thép phải tuân thủ qui phạm thi công và nghiệm thu kết cấu thép.

TÍNH TRƯƠNG NỞ CỦA LÕI BÊ TÔNG

Nghiên cứu cho thấy bê tông trong ống thép không chỉ giảm co ngót mà còn trải qua sự trương nở kéo dài nhiều năm, giúp cải thiện hiệu suất của bê tông Sự trương nở này không chỉ xảy ra ở bê tông trong ống thép mà còn ở các loại bê tông được cách li khỏi môi trường xung quanh Thí nghiệm nổi tiếng của O.Ya.Berg đã xác nhận rằng việc không có sự trao đổi độ ẩm giữa bê tông và môi trường bên ngoài là nguyên nhân chính gây ra sự trương nở Điều này làm nổi bật một trong những ưu điểm của ống thép nhồi bê tông so với bê tông cốt thép.

Sự trương nở của bê tông trong ống thép tăng cường lực dính bám giữa hai vật liệu này, đồng thời cải thiện sự kết chặt giữa bê tông và vỏ thép, giúp giảm tính giòn của lõi bê tông và tăng khả năng chống oằn cục bộ của vỏ thép Để đảm bảo kết cấu ống thép nhồi bê tông hoạt động hiệu quả, cần bổ sung một ít phụ gia trương nở cho bê tông trong ống thép, bên cạnh sự trương nở do bê tông bị cách li.

ẢNH HƯỞNG LỰC DÍNH BÁM

Sự dính bám giữa lõi bê tông và ống thép trong kết cấu ống thép nhồi bê tông ảnh hưởng lớn đến sự trượt giữa vỏ thép và lõi bê tông Khi lực dính bám đạt mức cao, chúng sẽ liên kết chặt chẽ, ngăn chặn sự trượt tương đối giữa hai thành phần này Do đó, không cần thiết phải bố trí các neo liên kết chống trượt như trong các kết cấu thép – bê tông cốt thép khác.

Lực dính bám đóng vai trò quan trọng trong khả năng chịu tải của kết cấu ống thép nhồi bê tông Kết cấu này có thể chịu tải theo ba phương thức chính: ống thép chịu tải trọng độc lập, lõi bê tông chịu tải trọng độc lập, hoặc cả hai lớp vật liệu - vỏ thép và lõi bê tông - cùng chịu tải trọng phân bố đều.

Hình 2-1: (a): Chỉ riêng lõi bê tông chịu; (b): Chỉ ống thép chịu tải trọng; (c):

Cả bê tông và ống thép cùng chịu tải

Thí nghiệm của Gardner và Jacobson (1967) cho thấy ống thép chịu tải trọng không làm tăng khả năng chịu tải so với ống thép rỗng Lõi bê tông lý tưởng chịu tải trọng sẽ mang lại hiệu quả cao nhất, vì sự vắng mặt lực dính bám không tạo ra ứng suất dọc trong ống thép Thực tế, ống thép chỉ chịu ứng suất vòng và khả năng chịu ứng suất này gấp đôi so với ứng suất dọc trục thuần tuý Nghiên cứu của Orito và các đồng nghiệp (1988) cho thấy việc sử dụng vật liệu giảm ma sát làm tăng cường độ chịu nén của lõi bê tông, nhưng ứng suất dọc vẫn phát triển khi bê tông nhồi trong ống thép Điều này dẫn đến sự tồn tại của lực dính bám giữa hai lớp vật liệu, tạo ra trạng thái ứng suất hai trục trong vỏ thép và làm giảm khả năng gò chặt Nhiều thí nghiệm cho thấy khả năng chịu tải của lõi bê tông không cao hơn so với ống thép nhồi bê tông cùng chịu tải tương đương, do đó cấu trúc hợp lý nhất là cả hai lớp vật liệu thép và bê tông cùng chịu tải.

Lực dính bám giữa lõi bê tông và vỏ thép đóng vai trò quan trọng trong việc phân bố lực dọc khi chịu tải Khi tải trọng chỉ tác động lên ống thép hoặc lõi bê tông, lực dọc cần được truyền qua bề mặt tiếp xúc giữa hai thành phần này Do đó, việc nghiên cứu ảnh hưởng của lực dính bám tại bề mặt bê tông - thép là cần thiết để hiểu rõ cách phân bố lực dọc và khả năng mang tải của kết cấu Để làm sáng tỏ vấn đề này, chúng ta sẽ phân tích kết quả nghiên cứu lực dính bám qua ba trường hợp tải trọng khác nhau.

Xét kết cấu ống thép nhồi bê tông có lực dính bám:

Khi tải trọng tác động lên toàn bộ mặt cắt liên hợp của lõi bê tông và vỏ thép, tổng giá trị lực dọc giữ nguyên theo chiều cao cột và không bị ảnh hưởng bởi hệ số ma sát giữa bê tông và vỏ thép Hơn nữa, lực dính bám không ảnh hưởng đến hiệu suất làm việc của kết cấu.

Khi tải trọng chỉ tác động lên lõi bê tông, lực dọc sẽ từ từ được truyền từ lõi bê tông qua đỉnh thép xuống đáy cột Lực dọc giữa lõi bê tông và vỏ thép được cho là phân bố gần như đều tại đáy cột, tương tự như khi tải trọng tác động lên toàn bộ mặt cắt Khi hệ số ma sát tăng, chiều dài truyền lực sẽ giảm, dẫn đến việc lực dọc phân bố nhanh hơn giữa lõi bê tông và vỏ thép.

Sự phân bố lực dọc giữa lõi bê tông và vỏ thép có thể thay đổi tùy thuộc vào hệ số ma sát, điều này vẫn cần được nghiên cứu thêm Tuy nhiên, khả năng chịu tải và hoạt động của kết cấu trong hai trường hợp này là tương đương nhau.

Khi tải trọng chỉ tác động lên vỏ thép, toàn bộ tải trọng được phân bổ đều trên chiều cao cột, dẫn đến việc hệ số ma sát tăng và khả năng mang tải của cột cũng được cải thiện Tuy nhiên, để đảm bảo sự hoạt động hiệu quả của kết cấu, cần thiết phải có sự liên kết cơ học bên trong ống thép.

Graures (1993) đã thực hiện thí nghiệm trên nhiều cột thép nhồi bê tông với các mức tải trọng khác nhau Mỗi mức tải trọng được kiểm tra trên hai cột: một cột có lực dính giữa bê tông và thép, và một cột không có lực dính này Kết quả cho thấy rằng khi tải trọng tác động lên toàn bộ mặt cắt, ảnh hưởng của lực dính bám đến hiệu suất làm việc của kết cấu là tương tự Tuy nhiên, khi tải trọng chỉ tác động lên lõi bê tông hoặc vỏ thép, khả năng chịu tải của cột sẽ bị ảnh hưởng bởi lực dính Cụ thể, đối với cột không có lực dính, khả năng chịu tải sẽ tăng khi tải trọng tác động lên lõi bê tông, nhưng giảm khi tải trọng chỉ tác động lên vỏ thép Nếu không có lực dính và tải trọng chỉ tác động lên vỏ thép, cột sẽ hoạt động tương tự như cột thép rỗng.

Nhiều nghiên cứu của các nhà khoa học như Furlong (1967), Virdi và Dowling (1973), và Graures (1993) cho thấy rằng trong cột bê tông và vỏ thép chịu tải trọng đồng thời, lực dính bám không ảnh hưởng đáng kể đến khả năng mang tải và phân bố lực dọc Tuy nhiên, đối với cột thép nhồi bê tông, khi chỉ xét riêng lõi bê tông hoặc vỏ thép, lực dính bám lại không thể hiện rõ ràng ảnh hưởng đến hoạt động của kết cấu Sự giảm lực dính bám sẽ tác động rõ rệt đến cột thép nhồi bê tông khi chỉ chịu tải trọng từ lõi bê tông, trong khi không làm ảnh hưởng đến cột thép nhồi bê tông chịu tải trọng từ vỏ thép.

Thí nghiệm Mathias Johansson và Kenht Gylltoft về ba trường hợp chịu tải của kết cấu ống thép nhồi bê tông:

Hình 2-2: biểu đồ kết quả thí nghiệm Mathias Johansson và Kenht Gylltoft

SỰ LÀM VIỆC CỦA ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG CHỊU NÉN ĐÚNG TÂM

2.4.1 Trạng thái giới hạn thứ nhất theo cường độ

Trạng thái giới hạn thứ nhất của ống thép nhồi bê tông bắt đầu khi xuất hiện biến dạng lớn không thuận nghịch, dẫn đến sự phá hủy hoặc mất ổn định Biến dạng có thể là dọc hoặc ngang trên bề mặt ống, phụ thuộc vào lực nén dọc trục Khi biến dạng vượt quá giá trị ε nhất định, thanh sẽ chuyển sang trạng thái giới hạn thứ nhất do biến dạng lớn không thuận nghịch Quan niệm này phù hợp với lý thuyết của N.S.Streletski, trong đó biến dạng được coi là yếu tố chủ đạo xác định trạng thái giới hạn, trong khi yếu tố lực chỉ được lựa chọn theo biến dạng giới hạn.

Quan niệm này hoàn toàn chính xác, vì việc sử dụng chỉ có thể kéo dài đến một biến dạng Δ nhất định; nếu vượt quá ngưỡng này, sản phẩm sẽ không còn khả năng sử dụng do các lý do kỹ thuật hoặc kinh tế.

Hình 2-3: Đồ thị xác định trạng thái giới hạn thứ nhất của ống thép nhồi bê tông theo độ bền

1) Đường cong biến dạng dọc; 2) Đường cong biến dạng ngang

Biến dạng dọc có thể đạt đến một hằng số không phụ thuộc vào độ bền của thanh Khi đó, khả năng chịu lực của thanh Φ1 sẽ được xác định bởi lực P1 tương ứng với biến dạng dọc ε 2 =const.

Giá trị biến dạng dọc của thanh có thể thay đổi tùy thuộc vào mác bê tông và thép sử dụng, với thép cường độ cao cho thấy biến dạng dọc tương đối 0,002 sẽ gần giữa giai đoạn đàn hồi, dẫn đến khả năng chịu lực không được khai thác triệt để Do đó, giới hạn biến dạng dọc cần điều chỉnh theo sự phát triển chảy dẻo trong vỏ, với khả năng chịu lực Φ2 của thanh tương ứng với lực P2 và biến dạng dọc ε2 = εc Khả năng chịu lực cũng có thể được xác định qua biến dạng ngang không thuận nghịch, với điều kiện không giới hạn của thanh được đặc trưng bởi lực P3 và biến dạng dọc ε2 khi σ1 = σc.

Trạng thái giới hạn là trạng thái mà thanh chịu lực đạt giá trị lớn nhất mà không tương xứng với biến dạng của nó Trong điều kiện này, thanh sẽ có dạng P4 ≤ Pmax, và khả năng chịu lực của thanh được xác định bởi lực P4, tương ứng với giá trị chịu lực nén lớn nhất P4 = Pmax.

Việc lựa chọn phương án thứ hai trong bốn phương án xét về trạng thái giới hạn thứ nhất của ống thép nhồi bê tông là rất quan trọng, vì nó cho phép xác định chính xác khả năng chịu lực của ống thép nhồi bê tông dưới tác dụng chịu nén đúng tâm Phương án này không chỉ đánh giá đúng khả năng chịu lực mà còn xem xét sự ổn định của ống nhồi bê tông mảnh trong cùng một cơ chế chịu tải Kết quả đánh giá này dẫn đến việc xác định hệ số uốn dọc ϕ, được tính theo tỉ số ϕ = P th / P b.

Pth : lực tới hạng của thanh chịu nén đúng tâm;

Pb : lực đặc trưng độ bền của thanh chịu nén đúng tâm

Với giá trị Pth không đổi, có thể xuất hiện nhiều giá trị ϕ khác nhau tùy thuộc vào phương án trạng thái giới hạn của thanh dưới tác dụng của lực nén đúng tâm P b, bao gồm các giá trị Φ1, Φ2, Φ3 và Φ4 Tuy nhiên, khi áp dụng phương pháp trạng thái giới hạn, lực giới hạn chỉ có một trí số duy nhất là Φ2.

Hệ số ϕ trong biểu thức phụ thuộc vào Pth, có thể xác định bằng phương pháp lý thuyết nếu đánh giá được trạng thái ứng suất của ống trong giai đoạn đàn – dẻo Nhiều nghiên cứu thực nghiệm và lý thuyết đã xác định lực tới hạn Pth, trong đó lý thuyết gần đây của Shanley (1946-1947) chứng minh rằng lệch đơn điều của cột chịu nén đúng tâm bắt đầu khi tải trọng P bằng lực môđun tiếp tuyến P*.

(được chon làm lực tới hạn):

P* : tải trọng môđun tiếp tuyến;

E* : mô đun tiếp tuyến của biểu đồ “ứng suất – biến dạng”

Hệ số uốn dọc ϕ được tính toán sẽ được kết hợp với độ mảnh λ để thiết lập chùm đường cong ϕ − λ, tùy thuộc vào mác thép và mác bê tông sử dụng trong kết cấu ống nhồi bê tông.

Phương pháp xác định trạng thái ứng suất của ống thép nhồi bê tông khi chịu nén dọc trục được dựa trên nghiên cứu thực nghiệm quá trình nén tâm của ống thép ngắn nhồi bê tông với tỷ lệ L:D = 5 Các mối quan hệ P - ε2 và P - ε1 đã được xác định thông qua thí nghiệm.

Trong giai đoạn đàn hồi, ứng suất dọc trong vỏ thép có thể xác định bằng công thức tổng quát của định luật Hooke:

Trong giai đoạn đàn – dẻo và giai đoạn dẻo, ứng suất được xác định bằng lý thuyết biến dạng đàn – dẻo nhỏ Đối với vật liệu không nén được

(υ = 0,5) trong trạng thái ứng suất phẳng của vỏ thép:

Từ (2-1) và (2-2) ta tìm được ứng suất dọc trong vỏ:

Trong trường hợp trạng thái ứng suất đơn, biểu thức của cường độ biến dạng và ứng suất sẽ là: σ σ ε υ ε i = ( 1 + ) ; i = 3

Trong đó: ε - biến dạng tương đối tìm được khi thí nghiệm vật liệu ống chòu keùo

Biết ứng suất dọc của thép có thể tìm được lực dọc tác dụng vào vỏ

Lực dọc còn lại sẽ do lõi bê tông chịu, từ cấu trúc vật lý của thanh:

Như vậy tính được ứng suất trong lõi bê tông: bt t t bt F

Phương pháp này cho phép xác định ứng suất trong lõi bê tông và vỏ thép thông qua độ co dọc tương đối trong quá trình thực nghiệm Kết quả tổng hợp cho thấy sự phụ thuộc giữa σ2 - ε2 và σbt - ε2 trong suốt thời gian tải trọng được áp dụng nhanh chóng, phản ánh sự tương tác giữa lõi bê tông và vỏ thép.

Nghiên cứu quá trình làm việc của các thanh dài (L:D>5) chịu nén đúng tâm là cần thiết để hiểu rõ trạng thái giới hạn của chúng, đặc trưng bởi sự uốn dọc Hiện tượng uốn dọc hoặc mất ổn định loại một xảy ra khi thanh đạt trạng thái giới hạn Để xác định lực tới hạn trên lý thuyết, cần biết sự phụ thuộc của mô đun tiếp tuyến vào ứng suất Trong ống thép nhồi bê tông, hai loại vật liệu làm việc đồng thời, vì vậy cần có các biểu đồ σ2 - ε2 và σbt - ε2 để phân tích Mô đun tiếp tuyến biến dạng dọc của vỏ thép đóng vai trò quan trọng trong quá trình này.

E*t và của lõi bê tông E*bt được xác định bằng cách vi phân các đường cong tương ứng σ =f(ε2):

Như vậy lực tới hạn được xác định theo công thức:

Lực tới hạn có thể được xác định thông qua ứng suất tới hạn của từng phần trước khi thanh mất ổn định.

Kết quả từ việc giải hai phương trình (2-12) và (2-13) xác định mối quan hệ giữa lực tới hạn và chiều dài tương đối của thanh, từ đó hình thành đường cong quan hệ cần thiết.

SỰ LÀM VIỆC CỦA ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG CHỊU NÉN LỆCH TÂM

2.5.1 Nghiệm lý thuyết của bài toán ổn định Để xác định độ ổn định, ta nghiên cứu khả năng chịu lực của ống thép nhồi bê tông chịu nén lệch tâm khi chịu tải trọng ngắn hạn Độ lệch tâm của các lực nén có giá trị bằng nhau và có cùng hướng từ trọng tâm tiết diện

Giả định rằng thép và bê tông đều tuân theo biểu đồ đàn dẻo lý tưởng của Prandtl, chúng ta có thể hình dung đường đàn hồi của thanh dưới dạng sóng cosin, với chiều dài nửa bước sóng bằng chiều dài L của thanh Giả thiết này cho phép chúng ta đạt được giá trị gần đúng với nghiệm chính xác, bằng cách đơn giản hóa hệ vô số bậc tự do thành một bậc tự do duy nhất Do đó, chỉ cần xem xét sự cân bằng của nửa thanh có mặt cắt giữa chịu tải trọng lớn nhất, tập trung vào phân bố ứng suất trên mặt cắt ngang ở giữa thanh.

Véctơ chính và mômen chính của biểu đồ ứng suất pháp tại mặt cắt giữa đối với trụ đi qua trọng tâm được xác định theo biểu thức:

Trong đó: z – khoảng cách từ diện tích phân tố đến trọng tâm của mặt caét

Tích phân diện tích phân tố bê tông và thép giúp xác định điều kiện trạng thái giới hạn của thanh Giải hệ phương trình liên hệ giữa các biến θ, ϕ và β cho phép tính toán chiều dài tới hạn của thanh.

Trong bài viết này, các ký hiệu F, μ (2-18), ϕ, ϕ1 được sử dụng để chỉ các góc ở tâm liên quan đến thép và bê tông, thể hiện sự chuyển tiếp từ miền đàn hồi sang miền chảy dẻo của tiết diện Ngoài ra, β là góc ở tâm đặc trưng cho vị trí của trục trung hòa.

Hình 2-4: Biểu đồ lý tưởng hoá đối với lõi bê tông và vỏ ống nhồi bê tông;

Hình 2-5 minh họa sơ đồ tính toán ứng suất và biến dạng dọc trong ống thép nhồi bê tông Trong đó, (a) thể hiện quá trình nén toàn bộ mặt cắt ngang, (b) mô tả hiện tượng chảy dẻo ở cả hai phía trong vỏ thép, và (c) chỉ ra chảy dẻo xảy ra ở một phía trong vỏ thép.

2.5.2 Ổn định của các thanh ghép bằng thép ống nhồi bê tông chịu nén lệch tâm ngắn hạn

Sử dụng giả thiết phần 1, thiết lập phương trình cân bằng cho nửa thanh, từ đó tìm véctơ chính PBH và mômen chính MBH đối với trục x-x Đồng thời, xác định chiều dài thanh là hàm của các tham số trạng thái ứng suất lớn nhất tại mặt cắt Để biểu diễn cực trị có điều kiện hàm trạng thái, các tham số β và ϕ được thể hiện qua ϕ 1 và ϕ 1H.

Hình 2-6: Các sơ đồ tính toán và ứng suất biến dạng dọc trong mặt cắt ngang cuûa oáng nhoài beâ toâng

Với thanh lắp ghép ống nhồi bê tông xuyên suốt thì cần phải tính ảnh hưởng của lực cắt đến quan hệ tới hạn.

ẢNH HƯỞNG CỦA TẢI TRỌNG DÀI HẠN ĐẾN KHẢ NĂNG CHỊU LỰC CUÛA OÁNG THEÙP NHOÀI BEÂ TOÂNG

CHỊU LỰC CỦA ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG [1]

2.6.1 Từ biến của bê tông trong ống

Do bê tông nhồi trong ống, cần xem xét ảnh hưởng của biến dạng bê tông đối với khả năng chịu lực Biến dạng của bê tông trong vỏ thép thấp hơn so với bê tông không được cách ly, dẫn đến việc giảm giới hạn ổn định lâu dài của ống nhồi bê tông ít hơn so với các cấu kiện bê tông cốt thép thông thường.

Phương trình phi tuyến của từ biến:

( (2-21); để xác định đặc trưng ϕt của từ biến

Dựa trên các thí nghiệm dài hạn của thanh ống nhồi bê tông chịu nén đúng tâm, có thể xây dựng các đồ thị biến dạng dọc và ngang (ε2 và ε1) theo thời gian (t) tương ứng với các chỉ số lực dọc khác nhau.

Sau khi xử lý hàng loạt số liệu thí nghiệm, chúng ta đã thu được phương trình đường cong trung bình cho đặc trưng từ biến của bê tông trong môi trường ẩm.

Kết quả từ đường cong trung bình cho phép xác định giá trị hệ số đặc trưng của biến theo thời gian, từ đó tính toán ảnh hưởng của nó đến hiệu suất làm việc của kết cấu ống thép nhồi bê tông.

2.6.2 Ổn định của thép ống nhồi bê tông chịu nén lệch tâm dài hạn

Khi nghiên cứu ổn định của thanh dưới tác động của từ biến, chúng ta áp dụng phương pháp chung đã đề cập trong phần 2.5.1 Quá trình giải bài toán bao gồm hai bước: đầu tiên, mô tả trạng thái ứng suất biến dạng của thanh trong điều kiện từ biến và xác định phương trình chuyển động; thứ hai, tìm ra phương trình trạng thái tới hạn của thanh.

Khi giải bài toán, chúng ta áp dụng các giả thiết thông thường như đường đàn hồi của thanh được xấp xỉ bằng hình sin và sử dụng biểu đồ Prandtl cho thép cùng giả thiết về mặt cắt phẳng Trong giai đoạn đầu gia tải, vỏ có thể hoạt động trong trạng thái đàn hồi, với điều kiện ứng suất trong lõi bê tông không vượt quá σ_bt ≤ 0.5, dẫn đến từ biến tuyến tính Sau đó, vỏ thép chuyển sang giai đoạn làm việc đàn – dẻo, trong khi lõi bê tông có thể trải qua cả từ biến tuyến tính và phi tuyến Đối với vùng từ biến tuyến tính của bê tông, phương trình Maslốp được áp dụng.

Aruchiunhian được coi là đúng: τ τ δ τ σ σ ε t d t t

Còn đối với vùng từ biến phi tuyến sẽ là phương trình I.I.Uliski:

Ống thép nhồi bê tông chịu tải trọng nén lệch tâm dài hạn hoạt động với vỏ thép theo giai đoạn đàn dẻo, trong khi lõi bê tông có thể bị ảnh hưởng bởi biến dạng tuyến tính và phi tuyến.

ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG CHỊU LỰC CỦA KẾT CẤU ỐNG THÉP NHỒI BÊ TOÂNG

Khả năng chịu lực của kết cấu ống thép nhồi bê tông được đánh giá dựa trên nhiều tiêu chuẩn và tài liệu khác nhau Bài viết này tập trung vào việc xem xét khả năng chịu lực của ống thép nhồi bê tông theo các tiêu chuẩn phổ biến như CECS 28-90 của Trung Quốc, tài liệu hướng dẫn của Nga, tiêu chuẩn AISC LRFD của Mỹ, tiêu chuẩn CAN/CSA-S16.1-M94 của Canada, và tiêu chuẩn 22TCN 272 – 05.

2.7.1 Theo tieồu chuaồn Trung Quoỏc CECS 28 – 90 [2], [7]

Lực nén dọc trục tính toán vào cột đơn ống thép nhồi bê tông phải thoả mãn điều kiện sau đây:

N – lực nén dọc trục tính toán;

Nu – khả năng chịu nén của cột đơn ống thép nhồi bê tông

Khả năng chịu tải của cột đơn ống thép nhồi bê tông được xác định qua ba trường hợp chính: tải trọng đúng tâm, tải trọng lệch tâm, và cần xem xét hệ số chiết giảm lực chịu tải do ảnh hưởng của độ mảnh.

2.7.1.1 Tính toán sức chịu tải của cột ngắn chịu nén đúng tâm

Sức chịu tải của cột ngắn ống thép nhồi bê tông chiều lực đúng tâm được xác định theo công thức:

Khả năng chịu tải của cột ngắn bằng ống thép nhồi bê tông chịu nén đúng tâm được xác định bởi các yếu tố như chỉ tiêu đai bọc của ống thép nhồi bê tông (θ) và cường độ chịu kéo của thép (f s).

As – diện tích mặt cắt ngang ống thép; f c – cường độ chịu nén của bê tông;

Ac – diện tích mặt cắt ngang lõi bê tông ; Điều kiện áp dụng 0 3 3 θ : mác bê tông quá thấp làm cho kết cấu biến dạng dẻo;

< 0 θ : tiết diện chưa hợp lý sẽ gây ra lực kéo trong thanh kết cấu;

2.7.1.2 Tính toán ổn định của cấu kiện chịu nén đúng tâm

Sức chịu tải của cột nhánh đơn bằng bê tông thép ống bị ảnh hưởng bởi độ dài của cột bê tông, được xác định bằng cách nhân với hệ số chiết giảm lực chịu tải liên quan đến độ mảnh Công thức tính toán này giúp đánh giá chính xác khả năng chịu lực của cột.

Để xác định lực chịu tải của cột ngắn bằng bê tông thép ống chịu nén trục, cần áp dụng hệ số chiết giảm lực chịu tải ϕ1, nhằm xem xét ảnh hưởng của độ mảnh đến khả năng chịu lực của cột.

Hệ số chiết giảm lực chịu tải xét ảnh hưởng của độ mảnh ϕ 1 được xác định theo công thức dưới đây:

Đường kính ngoài của ống thép được ký hiệu là d, trong khi độ dài tính toán tương đương của ống thép nhồi bê tông được xác định theo các mục cụ thể Đối với cột khung và các thanh không chịu tải trọng ngang giữa hai điểm gối đỡ, độ dài tính toán tương đương được tính theo công thức: \( l_o = \mu \cdot l \) và \( l_{kl} = l_o \) Trong đó, \( l_o \) là độ dài tính toán của khung hoặc thanh, \( l \) là độ dài thực tế, \( k \) là hệ số độ dài tương đương, và \( \mu \) là hệ số độ dài tính toán Đối với khung không có chuyển vị ngang, hệ số này được xác định theo bảng 1-1 trong phụ lục 1, tài liệu [7]; còn đối với khung có chuyển vị ngang, sử dụng bảng 1-2 trong phụ lục 1, tài liệu [7].

Hệ số độ dài tương đương k tính toán theo qui định sau đây:

Cột và thanh chịu nén dọc ttrục k=1;

Cột khung không chuyển vị ngang k = 0 5 + 0 3β + 0 2β 2 ;

Cột khung có chuyển vị ngang:

Khi eo/rc