Xem mẫu
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
nguon tai.lieu . vn
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