Đồ Án Nghiên cứu, tính toán kết cấu dầm liên hợp thép - bê tông ứng suất trước trong xây dựng dân dụng và

TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
Chuyên ngành: Xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp
NĂM – Năm 2012


MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1
1. Lý do chọn đề tài 1
2. Mục đích, đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu của luận án 2
3. ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu .3

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU LIÊN HỢP THÉP - BÊ TÔNG VÀ HƯỚNG SỬ DỤNG ỨNG SUẤT TRƯỚC TRONG LOẠI KẾT CẤU NÀY . 4
1.1. Tổng quan về kết cấu liên hợp thép - bê tông .4
1.1.1. Tình hình nghiên cứu ứng dụng kết cấu liên hợp thép - bê tông 4
1.1.2. Kết cấu liên hợp thép - bê tông tại Việt Nam 8
1.2. ứng suất trước trong kết cấu công trình bằng thép hoặc BTCT 9
1.2.1. Nguyên lý ứng suất trước .9
1.2.2. Các phương pháp tạo ứng suất trước 10
1.2.3. Hiệu quả của việc sử dụng phương pháp ứng suất trước 10
1.3. Phương pháp ứng suất trước trong kết cấu liên hợp thép - bê tông .11
1.3.1. Một số nghiên cứu ở nước ngoài và trong nước .11
1.3.1.1. Nghiên cứu thực nghiệm .11
1.3.1.2. Nghiên cứu lý thuyết .15
1.3.2. Các khả năng sử dụng phương pháp ứng suất trước trong kết cấu liên hợp thép -bê tông tại Việt Nam .15
1.3.3. Nội dung nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm của luận án 15
1.4. Vật liệu sử dụng trong dầm liên hợp thép -bê tông ứng suất trước .16
1.4.1. Bê tông .16
1.4.1.1. Quy định của Eurocode 2 và Eurocode 4 16
1.4.1.2. Quy định theo TCXDVN 356:2005 17
1.4.1.3. So sánh các đặc trưng cơ học của bê tông giữa hai tiêu
chuẩn Eurocode 4 và TCXDVN 356:2005 .17
1.4.2. Cốt thép thanh 18
1.4.2.1. Quy định của Eurocode 4 18
1.4.2.2. Quy định theo TCXDVN 356:2005 19
1.4.3. Thép kết cấu .19
1.4.3.1. Quy định theo Eurocode 4 19
1.4.3.2. Quy định theo TCVN 5709 - 1993 20
1.4.4. Tôn định hình của sàn liên hợp 20
1.4.5. Dây (thanh) căng 21
1.4.6. Chốt liên kết .22
Thảo luận các nội dung đạt được trong Chương 1 23

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN DẦM LIÊN HỢP THÉP - BÊ TÔNG ỨNG SUẤT TRƯỚC 25
2.1. Nguyên tắc tính toán dầm liên hợp thép - bê tông ƯST 26
2.1.1. Đặc điểm làm việc của dầm liên hợp thép -bê tông ƯST 26
2.1.2. Phương pháp thi công dầm liên hợp thép - bê tông ƯST .27
2.1.3. Đặc điểm tính toán theo phương pháp thi công .27
2.1.3.1. Phương pháp thi công không chống đỡ .28
2.1.3.2. Phương pháp thi công có chống đỡ .28
2.1.4. Kiểm tra dầm liên hợp thép - bê tông ƯST theo từng giai đoạn 29
2.1.4.1. Giai đoạn thi công .29
2.1.4.2. Giai đoạn sử dụng .29
2.2. Tính toán dầm liên hợp thép - bê tông ƯST trong giai đoạn thi công 30
2.2.1. Trạng thái ứng suất của dầm thép ƯST 30
2.2.2. Chiều dài dây căng hợp lý và lực căng trước .31
2.2.2.1. Xác định chiều dài hợp lý của dây căng trong dầm liên tục .31
2.2.2.2. Xác định lực căng trước 33
2.2.3. Xác định tự ứng lực 36
2.2.4. Kiểm tra dầm thép ƯST theo trạng thái giới hạn 1 37
2.2.5. Kiểm tra dầm thép ƯST theo trạng thái giới hạn 2 39
2.3. Tính toán dầm LHT-BT ƯST trong giai đoạn sử dụng .40
2.3.1. Các thông số cơ bản .40
2.3.1.1. Hệ số mô đun đàn hồi chung 41
2.3.1.2. Chiều dày của sàn bê tông 41
2.3.1.3. Chọn kích thước tôn hình 42
2.3.1.4. Chiều rộng tham gia làm việc của tấm sàn .42
2.3.1.5. Phân loại tiết diện ngang .43
2.3.2. Mô men quán tính của tiết diện dầm liên hợp thép - bê tông 43
2.3.2.1. Tiết diện chịu mô men dương .43
2.3.2.2. Tiết diện chịu mô men âm 46
2.3.3. Xác định tự ứng lực 47
2.3.4. Kiểm tra theo trạng thái giới hạn sử dụng 48
2.3.4.1. Kiểm tra ứng suất trong dầm khi thi công theo phương pháp không chống đỡ 49
2.3.4.2. Kiểm tra ứng suất trong dầm khi khi thi công theo phương pháp có chống đỡ 50
2.3.4.3. Kiểm tra độ võng của dầm 51
2.3.5. Kiểm tra theo trạng thái giới hạn phá hoại .53
2.3.5.1. Các giả thiết khi phân tích cứng dẻo và phạm vi ứng dụng 53
2.3.5.2. Mô men dẻo giới hạn của dầm liên hợp thép - bê tông ƯST 54
2.3.5.3. Xác định mô men dẻo dương giới hạn 55
2.3.5.4. Xác định mô men dẻo âm giới hạn .59
2.3.6. Trình tự tính toán dầm liên hợp thép - bê tông ƯST 62
Thảo luận nội dung đạt được trong Chương 2 65

CHƯƠNG 3: CHƯƠNG TRÌNH MÁY TÍNH VÀ ỨNG DỤNG TÍNH TOÁN DẦM LHTBT ƯST .66

3.1. Chương trình tính dầm liên hợp thép - bê tông ƯST - PCB 1.0 66
3.2. ứng dụng chương trình PCB 1.0 vào tính toán thiết kế .70
3.3. ứng dụng chương trình PCB 1.0 để khảo sát thiết kế, tính hiệu quả .72
3.3.1. Khảo sát bài toán thiết kế, kiểm tra dầm LHT-BT ƯST 72
3.3.2. Khảo sát bài toán tính hiệu quả dầm LHT-BT ƯST 73
Thảo luận nội dung đạt được trong Chương 3 75

CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM KIỂM CHỨNG 76

4.1. Mục đích, địa điểm, thời gian thí nghiệm: 76
4.1.1. Mục đích thí nghiệm 76
4.1.2. Đơn vị thí nghiệm, địa điểm, thời gian 77
4.2. Chuẩn bị mẫu thí nghiệm 77
4.2.1. Thiết kế thí nghiệm 78
4.2.1.1. Thiết kế mẫu thí nghiệm .78
4.2.1.2. Bố trí tải trọng cho thí nghiệm 79
4.2.1.3. Bố trí thiết bị đo của dầm liên hợp thép - bê tông ƯST (D1) 79
4.2.1.4. Bố trí thiết bị đo của dầm liên hợp thép - bê tông (D2) 80
4.2.2. Thiết kế bệ thí nghiệm, hệ gia tải, các liên kết 81
4.2.3. Vật liệu chế tạo mẫu thí nghiệm 82
4.2.3.1. Dầm thép .82
4.2.3.2. Bê tông 83
4.2.3.3. Thanh căng 84
4.2.3.4. Liên kết neo .85
4.3. Quy trình thí nghiệm, thiết bị thí nghiệm và dụng cụ đo 85
4.3.1. Hệ kích thủy lực gia tải 85
4.3.2. Dụng cụ thí nghiệm 85
4.3.2.1. Biến dạng kế điện trở 85
4.3.2.2. Biến dạng kế cơ học 86
4.3.2.3. Chuyển vị kế 86
4.3.3. Quy trình gia tải .86
4.3.3.1. Dầm liên hợp thép - bê tông ƯST (D1) .86
4.3.3.2. Dầm liên hợp thép - bê tông (D2) .87
4.4. Các thông số được nghiên cứu 88
4.5. Kết quả tổng quát thí nghiệm 89
4.5.1. Kết quả tổng quát .89
4.5.2. Ghi chép hiện tượng .89
4.5.2.1. Dầm liên hợp thép - bê tông ƯST (D1) .89
4.5.2.2. Dầm liên hợp thép - bê tông (D2) .91
4.5.3. Nhận xét chung về quá trình thí nghiệm 92
4.6. Kiểm chứng lý thuyết với thực nghiệm - giai đoạn chịu tải thi công 93
4.6.1. Dầm thép ƯST (D1) .93
4.6.1.1. ứng suất trong dầm thép .93
4.6.1.2. ứng suất trong thanh căng .93
4.6.1.3. Độ võng tại vị trí giữa dầm D1 94
4.6.2. Dầm thép (D2) 95
4.6.2.1. ứng suất trong dầm thép .95
4.6.2.2. Độ võng tại vị trí giữa dầm thép (D2) .95
4.7. Kiểm chứng lý thuyết với thực nghiệm - giai đoạn chịu tải sử dụng 95
4.7.1. Dầm liên hợp thép - bê tông ƯST (D1) 95
4.7.1.1. ứng suất trong bản bê tông .95
4.7.1.2. ứng suất trong thép hình .96
4.7.1.3. ứng suất trong thanh căng .97
4.7.1.4. Độ võng của dầm liên hợp thép - bê tông ƯST 98
4.7.2. Dầm liên hợp thép - bê tông (Dầm D2) 99
4.7.2.1. ứng suất trong bê tông 99
4.7.2.2. ứng suất trong thép hình .99
4.7.2.3. Độ võng của dầm liên hợp thép - bê tông 100
4.9. So sánh Mô men dẻo giới hạn ghd [M] giữa lý thuyết và thực nghiệm 101
4.10. Phân tích nguyên nhân phá hoại 101
4.10.1. Dầm liên hợp thép - bê tông ƯST (D1) 101
4.10.2. Dầm liên hợp thép - bê tông (D2) 102
Thảo luận về nội dung đạt được trong Chương 4 103
KẾT LUẬN CHUNG CỦA LUẬN ÁN .106
KIẾN NGHỊ .106
Danh mục những công trình công bố của tác giả 107
Danh mục Tài liệu tham khảo .108
Phụ lục 113


MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Kết cấu liên hợp thép - bê tông (LHT-BT) đã được nghiên cứu, ứng dụng và phát triển từ hơn 100 năm nay và đã thể hiện những ưu điểm của nó về khả năng chịu lực, thời gian thi công, ứng dụng vào các công trình cao tầng, công trình nhịp lớn. ứng suất trước (ƯST) là một phương pháp tạo nên trong kết cấu ứng suất ngược dấu với ứng suất do tải trọng gây ra nhằm mục đích tăng khả năng chịu lực của kết cấu, tức là giảm chi phí vật liệu nhưng vẫn đảm bảo khả năng chịu lực yêu cầu, giảm biến dạng của kết cấu. ứng suất trước đến nay là một phương án thiết kế hiện đại rất phổ biến trong kết cấu bê tông cốt thép, kết cấu thép và đã được ứng dụng rộng rãi trên thế giới cũng như tại Việt Nam.
Kết cấu LHT-BT là sự kết hợp giữa kết cấu thép và kết cấu bê tông, với các đặc trưng về vật liệu, đặc điểm làm việc sẵn sàng đáp ứng các yêu cầu của phương án ƯST. Việc sử dụng phương án thiết kế ƯST vào kết cấu LHT-BT sẽ đem lại những tính năng đặc biệt và giải quyết được những yêu cầu về kiến trúc và công nghệ. Trong lĩnh vực xây dựng dân dụng, sử dụng ƯST trong kết cấu LHT-BT hiện nay chưa được nghiên cứu và ứng dụng nhiều, ngay cả trong tiêu chuẩn Eurocode 4 - Kết cấu liên hợp thép - bê tông cũng chưa có quy định cụ thể về ứng suất trước.
Theo các tài liệu tham khảo, việc nghiên cứu ứng dụng ƯST vào kết cấu LHT-BT trên thế giới là các nghiên cứu thực nghiệm vào các thí nghiệm để chứng minh tính hiệu quả của kết cấu LHT-BT ƯST so với kết cấu LHT-BT thông thường, còn về lý thuyết tính toán chưa thấy có các nghiên cứu tổng quát và cụ thể.
Do đó tác giả đã lựa chọn đề tài “Nghiên cứu, tính toán kết cấu dầm liên hợp thép - bê tông ứng suất trước trong xây dựng dân dụng và công nghiệp” cho luận án tiến sỹ kỹ thuật.

2. Mục đích, đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu của luận án.
* Mục đích của luận án:
- Kết hợp những ưu điểm của dầm LH T-BT và ứng suất trước để có một phương án kết cấu có hiệu quả cao hơn.
* Để đạt được mục đích trên thì nhiệm vụ của luận án đề ra là:
- Nghiên cứu, thiết lập các công thức tính toán trong kết cấu dầm LHTBT ƯST để áp dụng vào thực tế.
- Xây dựng trình tự tính toán, chương trình tính toán kết cấu dầm LHTBT ƯST để hỗ trợ tính toán thiết kế, khảo sát và ứng dụng.
- Thí nghiệm kiểm chứng để kiểm tra các công thức tính toán của kết cấu dầm LHT-BT ƯST, đồng thời kiểm chứng tính hiệu quả của kết cấu dầm LHT-BT ƯST so với dầm LHT-BT.

* Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Sử dụng ƯST trong kết cấu LHT-BT là một bài toán lớn, đa dạng và phức tạp, trong luận án này, tác giả lựa chọn đối tượng nghiên cứu là kết cấu dầm LHT-BT ƯST. Đây cũng là loại cấu kiện phổ biến và quan trọng nói chung và trong kết cấu nhà cao tầng nói riêng.
- Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu dầm đơn giản, dầm liên tục LHT-BT ƯST. Phương pháp ƯST là phương pháp căng trước trên dầm thép, dùng dây căng dạng thẳng, không dính bám (nếu đặt trong bê tông). Thép kết cấu sử dụng loại có giới hạn chảy không vượt quá 355 N/mm2, các vật liệu sử dụng trong điều kiện Việt Nam.