Tiến Sĩ Phân tích đánh giá tính dư trong kết cấu cầu ở Việt Nam

iii

MỤC LỤC

MỤC LỤC . iii
DANH MỤC HÌNH VẼ v
DANH MỤC BẢNG BIỂU vii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU . viii
MỞ ĐẦU x
Lý do để chọn đề tài . x
Mục đích nghiên cứu xii
Phương pháp nghiên cứu . xii
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài luận án xii
Bố cục của luận án xiii
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] . 7
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] . 9
1.2.2 Nghiên cứu tính dư trong kết cấu công trình cầu 10
1.2.3 Nhận xét 14
1.2.4 Tính dư trong tiêu chuẩn thiết kế 22TCN 272-05 . 14
1.3 Những vấn đề còn tồn tại trong nghiên cứu tính dư . 15
1.4 Những vấn đề đề tài tập trung nghiên cứu giải quyết . 17
1.5 Kết luận chương 1 . 17
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 18
2.1 Đánh giá tính dư cho kết cấu phần dưới [48] . 19
2.1.1 Xác định kết cấu bên dưới điển hình . 19
2.1.2 Các giả thiết về trạng thái làm việc của kết cấu và TTGH tương ứng [27], [48],
[56]. . 27
2.1.3 Phương pháp phân tích tính dư . 30
2.1.4 Tính toán tính dư [75] . 34
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 56
2.1.6 Tỉ lệ bảo toàn hệ thống của hình dạng kết cấu bên dưới định hình 58
2.1.7 Quy trình xác định tính dư cho kết cấu phần dưới [48] 60
2.2 Đánh giá và định chuẩn tính dư của kết cấu phần trên . 67
2.2.1 Mức độ an toàn của kết cấu phần trên . 68
2.2.2 Các trạng thái giới hạn 69
2.2.3 Chu kỳ vòng đời và mô hình tải trọng - chỉ số độ tin cậy . 72
2.2.4 Phương pháp độ tin cậy . 74 iv

2.2.5 Xác định chỉ số độ tin cậy mục tiêu 76
2.2.6 Quy trình kiểm tra tính dư trực tiếp 78
2.2.7 Quy trình từng bước xác định hệ số dư . 81
2.2.8 Hệ số hệ thống (tính dư) 83
2.2.9 Hệ số hệ thống cho cầu điển hình thông dụng 85
2.2.10 Xếp hạng tải trọng cho cầu đang tồn tại 87
2.3 Kết luận chương 2 . 88
CHƯƠNG 3. ĐỀ XUẤT MÔ HÌNH TÍNH TOÁN TÍNH DƯ CỦA KẾT CẤU DỰA
TRÊN PHÂN TÍCH PHI TUYẾN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN
MỞ RỘNG 91
3.1 Mô hình kết cấu 91
3.1.1 Mô hình phá hoại uốn . 96
3.1.2 Mô hình phá hoại cắt . 101
3.2 Mô hình phân tử hữu hạn phân tích sự làm việc của dầm có xét đến “bước nhảy”
chuyển vị do dầm bị phá hoại . 103
3.2.1 Các hàm dạng và phương trình PTHH tổng quát 103
3.2.2 Xử lý phương trình cân bằng cục bộ . 107
3.3 Đề xuất mô hình làm việc của mặt cắt dầm bê-tông cốt thép . 110
3.4 Thí nghiệm kiểm chứng mô hình phân tích đề xuất . 114
3.4.1 Cấu tạo của dầm thí nghiệm 114
3.4.2 Trình tự thí nghiệm . 117
3.4.3 So sánh kết quả thí nghiệm với kết quả phân tích lý thuyết . 117
3.5 Kết luận chương 3 . 119
CHƯƠNG 4. CÁC VÍ DỤ ÁP DỤNG MÔ HÌNH PHI TUYẾN VÀ QUY TRÌNH
TRỰC TIẾP 121
4.1 Trụ 2 cột chịu lực đẩy ngang 121
4.1.1 Phân tích sự làm việc của trụ dưới tác dụng của lực đầy ngang theo mô hình phi
tuyến . 121
4.1.2 Xác định tính dư của kết cấu trụ 2 cột theo quy trình trực tiếp . 125
4.2 Trụ 3 cột 126
4.2.1 Phân tích sự làm việc của trụ 3 cột chịu lực ngang . 126
4.2.2 Xác định tính dư của kết cấu trụ 3 cột theo quy trình trực tiếp . 128
4.3 Dầm liên tục 2 nhịp 129
4.3.1 Phân tích khả năng chịu lực thẳng đứng của dầm liên tục 2 nhịp . 129
4.3.2 Xác định tính dư của kết cấu trụ 2 cột theo Quy trình trực tiếp 131
4.4 Kết luận chương 4 . 132
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 133
I. Kết luận về những đóng góp của luận án . 133
Đối với kết cấu bên dưới . 134
Đối với kết cấu phần trên 136
II. Định hướng tiếp tục nghiên cứu 137
DANH MỤC CÁC BÀI BÁO, ĐỀ TÀI CÔNG BỐ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA
LUẬN ÁN 140
PHỤ LỤC 150 v


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) . 3
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 8
Hình 2.1 Cầu Turnpike sụp đổ 19
Hình 2.2 Mô hình kết cấu uốn hai cột .31
Hình 2.3 Mặt cắt cột rời rạc 32
Hình 3.1. Mô hình phần tử dầm chịu tác dụng của ngoài lực .92
Hình 3.2 Chuyển vị của phần tử dầm khi xét đến “bước nhảy” của chuyển vị .94
Hình 3.3. Mô hình chịu uốn của dầm bê tông cốt thép 101
Hình 3.4. Mô hình quan hệ lực cắt – biến dạng cắt trượt . 103
Hình 3.5. Phân lớp dầm và trạng thái ứng suất, biến dạng tại một điểm 111
Hình 3.6 . Vòng tròn Mohr ứng suất và biến dạng tại lớp đang xét . 111
Hình 3.7. Trạng thái biến dạng của dầm . 111
Hình 3.8. Biểu đồ phân bố ứng suất pháp và ứng suất tiếp trên dầm . 113
Hình 3.9 Bố trí cốt thép trong dầm thí nghiệm 117
Hình 3.10 Sơ đồ gia tải dầm (uốn 4 điểm) . 117
Hình 3.11 Kết quả nén dầm trong phòng thí nghiệm . 118
Hình 3.12 Kết quả từ mô hình phân tích (phóng đại 1000 lần) 118 vi

Hình 3.13 Đường cong lực - độ võng từ kết quả thí nghiệm và kết quả mô hình . 118
Hình 4.1. Trụ khung 2 cột . 122
Hình 4.2. Quan hệ mô men – độ cong cho cột và dầm ngang 123
Hình 4.3. Quan hệ lực cắt – biến dạng cắt cho cột . 123
Hình 4.4. Quan hệ lực ngang và chuyển vị ngang tại xà mũ 124
Hình 4.5. Chuyển vị của trụ cột dưới tác dụng tại thời điểm chuyển vị ngang bằng
160mm 124
Hình 4.6. Trụ khung 3 cột . 126
Hình 4.7. Quan hệ lực - chuyển vị ngang của trụ khung 3 cột 127
Hình 4.8. Biến dạng của trụ ứng với chuyển vị ngang ở xà mũ bằng 160mm 128
Hình 4.9. Dầm liên tục 2 nhịp chịu tải trọng thẳng đứng . 129
Hình 4.10. Cấu tạo mặt cắt ngang dầm 130
Hình 4.11. Quan hệ lực và độ võng tại giữa nhịp 2 khi tăng tải . 131
Hình 4.12. Dầm ở trạng thái phá hoại trong TTGHCĐ 131

vii

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1 Các thông số trung bình của 4 loại kết cấu bên dưới .20
Bảng 2.2. Các thông số của kết cấu uốn hai cột .22
Bảng 2.3: Các thông số của kết cấu uốn bốn cột .22
Bảng 2.4. Độ cứng móng - kết cấu uốn hai cột 23
Bảng 2.5. Độ cứng móng - kết cấu uốn bốn cột .25
Bảng 2.6. Kết quả phân tích lực đẩy phi tuyến kết cấu uốn 2 cột 33
Bảng 2.7 Các biến số kết cấu của kết cấu uốn hai cột và bốn cột 34
Bảng 2.8. Các điều kiện địa chất và móng .35
Bảng 2.9 Dữ liệu đầu vào cho phân tích ví dụ cầu hai cột. 44
Bảng 2.10 Dữ liệu đầu vào cho phân tích ví dụ cầu bốn cột 46
Bảng 2.11 Khả năng tải trọng ngang đối với trụ bốn cột và hai cột. 48
Bảng 2.12 Giá trị của biến ngẫu nhiên đã sử dụng trong .48
Bảng 2.13. Kết quả của phân tích đối với kết cấu uốn hai cột .49
Bảng 2.14 Kết quả của phân tích đối với kết cấu uốn bốn cột .50
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 .74
Bảng 2.16 Tỉ lệ hệ số tải trọng yêu cầu đối với phương pháp 79
Bảng 3.1. Kết quả thí nghiệm cường độ bê tông 114
Bảng 3.2. Kết quả thí nghiệm cường độ thép . 115
Bảng 4.1. Đặc trưng vật liệu sử dụng trụ 2 cột 122
Bảng 4.2. Đặc trưng vật liệu sử dụng trụ 3 cột 127
Bảng 4.3. Đặc trưng vật liệu sử dụng dầm liên tục 2 nhịp . 130
viii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU
AASHTO American Association of State Highway and Transportation Officials
TTGH Trạng thái giới hạn
PTHH Phần tử hữu hạn
Φ s Hệ số hệ thống quan hệ với sự an toàn, tính dư và tính dẻo của hệ thống kết cấu

Hệ số sức kháng thành phần
R’ Khả năng sức kháng danh định yêu cầu của thành phần tính đến tính dư của hệ
thống
γ d Hệ số tải trọng tĩnh
D n Tải trọng tĩnh danh định

Hệ số tải trọng động xe cộ

w Hệ số tải trọng ngang

member Chỉ số độ tin cậy thành phần

sysem Chỉ số độ tin cậy hệ thống

ult

Chỉ số độ tin cậy của hệ thống kết cấu cho TTGH cuối cùng

funct Chỉ số độ tin cậy hệ thống cho TTGH hoạt động


damaged Độ tin cậy hệ thống cho điều kiện phá hoại
r 1

Tỉ lệ bảo toàn thành phần
R u

Tỉ lệ bảo toàn hệ thống cho TTGH cuối cùng
R f

Tỉ lệ bảo toàn hệ thống cho TTGH hoạt động
R d

Tỉ lệ bảo toàn hệ thống cho điều kiện phá hoại

Hệ số điều chỉnh tải trọng; hệ số liên quan đến tính dẻo, tính dư và tầm quan
trọng trong khai thác

L
ix


D

Hệ số liên quan đến tính dẻo

R

Hệ số liên quan đến tính dư

I

Hệ số liên quan đến tầm quan trọng trong khai thác
Q n

Tác động tổng cộng của trọng lực
L n

Tổng của tác động của hoạt tải danh định
LW

Giá trị trung bình của hệ số tải trọng ngang

Giá trị trung bình của tải trọng ngang lớn nhất
W n

Giá trị thiết kế danh định của tải trọng tác dụng

Giá trị trung bình của hệ số tải trọng tương ứng với TTGH cuối cùng
LF u

Sức kháng thành phần
R

Độ lớn của tải trọng đứng tác dụng

Giá trị trung bình của hệ số tải trọng tương ứng với TTGH hoạt động
r u

Tỉ lệ tính dư cho TTGH cuối cùng
r f

Tỉ lệ tính dư cho TTGH hoạt động
r d

Tỉ lệ tính dư cho TTGH phá hoại
R final

Sức kháng cuối cùng
R exist

Khả năng thành phần đang tồn tại
P sd

TTGH về mặt sử dụng
P cd

TTGH cường độ

max
W
u
LF
f
LFx

MỞ ĐẦU
Luận án này nghiên cứu và phát triển phương pháp để tính toán tính dư trong quá
trình thiết kế và đánh giá độ an toàn của kết cấu cầu.
Lý do để chọn đề tài
Ngày nay, cùng với sự phát triển kinh tế - xã hội toàn cầu, số lượng công trình
hạ tầng kỹ thuật đặc biệt là các công trình cầu đường bộ được xây dựng ngày càng tăng
nhằm đáp ứng nhu cầu giao thông vận tải phục vụ phát triển kinh tế - xã hội của các
nước trên thế giới và của Việt Nam. Ở nước ta, với hơn 3000km bờ biển cùng hệ thống
sông ngòi chằng chịt tại đồng bằng Sông Hồng và đồng bằng Sông Cửu Long cùng với
đa số các sông suối ở Miền Trung đều chảy dọc theo hướng Tây Bắc - Đông Nam đổ ra
biển đã chia cắt mạng lưới đường bộ Bắc Nam cũng như hệ thống mạng lưới đường bộ
liên tỉnh điều này dẫn đến nhu cầu xây dựng cầu vượt sông suối ở nước ta rất lớn, hàng
năm có hàng chục cây cầu được xây dựng trên phạm vi toàn lãnh thổ Việt Nam. Phần
lớn các cây cầu này có kết cấu phần dưới bằng bê tông cốt thép và kết cấu phần trên là
dạng dầm bê-tông cốt thép hoặc bê tông cốt thép dự ứng lực nhịp giản đơn hoặc liên
tục. Tuy nhiên, đi kèm với việc ngày càng có nhiều cầu được xây dựng mới thì việc
đánh giá tính dư của các bộ phận kết cấu cầu là một chỉ tiêu quan trọng ảnh hưởng đến
độ an toàn cũng như tính kinh tế khi xây dựng cầu. Hiện nay, tiêu chuẩn ngành về thiết
kế cầu 22TCN-272-05 mới chỉ đề nghị áp dụng hệ số liên quan đến tính dư trong các
TTGH chưa đưa ra được cơ sở khoa học cũng như phương pháp tính dư trong kết cấu
cầu.
Tính dư là khả năng của một hệ thống chịu sự phá hoại mà không sập đổ. Sập đổ
theo định nghĩa của AASHTO-LRFD [9],[10] sự là thay đổi hình học lớn, làm cầu làm
mất đi khả năng làm việc của nó.
Tính dư được phân thành 3 loại chính theo các định nghĩa dưới đây: xi

- Tính dư nội bộ: một thành phần bị phá hoại sẽ không dẫn đến sự phá hoại của
các thành phần khác. Ví dụ, một thành phần của kết cấu bị phá hoại sẽ không dẫn đến
các thành phần khác bị phá hoại.
- Tính dư kết cấu: tính dư tồn tại như là kết quả của sự liên tục trong đường
truyền tải. Kết cấu siêu tĩnh như dầm liên tục và khung cứng thuộc loại này.
- Tính dư đường truyền tải: được định nghĩa bởi AASHTO-LRFD
[9],[10],[32],[40], là số các thành phần hỗ trợ. Một kết cấu là không dư khi chỉ có một
đường truyền tải hoặc hai đường truyền tải nhưng độc lập với nhau. Ví dụ, một kết cấu
nhịp cầu bao gồm một hoặc hai dầm song song được xem như là không dư. Một dầm bị
phá hoại với một hoặc hai đường truyền tải sẽ dẫn đến sự sụp đổ của nhịp. Khi đó, cầu
được xem như không dư.
Tổng hợp các dạng tính dư nêu trên, tính dư có thể được hiểu là khả năng chịu
lực còn lại của kết cấu cầu sau khi một thành phần chịu tải chính bị phá hoại.
Tính dư phụ thuộc vào ứng xử tổng thế của toàn bộ kết cấu khi chịu lực. Để tính
toán tính dư một công trình cầu, cần xem xét ứng xử của toàn bộ hệ thống và tương tác
giữa các bộ phân của kết cấu như: nhịp, mố, trụ và móng. Sự tương tác này rất phức tạp
với nhiều hệ số ảnh hưởng đến toàn bộ phản ứng của toàn hệ thống. Các nghiên cứu
trên thế giới hiện tại cũng tiến hành phân chia hệ thống thành các hệ thống thành phần
(kết cấu nhịp-kết cấu mố, trụ-địa chất/móng, ) để nghiên cứu riêng. Với từng dạng kết
cấu này, một số nhà nghiên cứu đã đưa ra quy trình nhiều bước để xác định tính dư cho
kết cầu [11], [48], [49], [53], [57], [61], [66], [70]. Tuy nhiên, các quy trình này còn
phức tạp và khó áp dụng, đặc biệt là với các kĩ sư thiết kế.
Trong tiêu chuẩn thiết kế cầu của Việt Nam [1], tính dư được thể hiện thông qua
hệ số dư (ɳ r ) là một tham số thiết kế đầu vào quan trọng, có thể làm thay đổi kích thước
và quy mô của thiết kế do làm tăng, hoặc giảm hiệu ứng tải trọng tác dụng lên công
trình trong công thức kiểm toán. Tuy nhiên, chưa có một nghiên cứu nào chỉ ra cách xác xii

định hệ số này, hoặc đưa ra một chỉ dẫn đơn giản để giúp các kĩ sư thiết kế có thể lựa
chọn hệ số tính dư cho phù hợp với từng loại, bộ phân và dạng kết cấu công trình.
Từ tầm quan trọng của vấn đề, số lượng nghiên cứu hạn chế ở Việt Nam và tính
cấp thiết của nội dung nghiên cứu, Nghiên cứu sinh chọn đề tài “Nghiên cứu đánh giá
tính dư trong kết cấu cầu ở Việt Nam”.
Mục đích nghiên cứu
Mục đích nghiên cứu của đề tài luận án là đề xuất một quy trình đơn giản và trực
tiếp để xác định tính dư của kết cấu để áp dụng trong quá trình thiết kế và đánh giá kết
cấu công trình cầu, làm cơ sở cho việc xây dựng được hệ thống bảng tra để giúp cho các
kĩ sư thiết kế dễ dàng xác định hệ số tính dư cho từng loại kết cấu.
Phương pháp nghiên cứu
Đề tài luận án sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với kiểm
chứng bằng thực nghiệm. Theo đó, trước hết đề tài tổng hợp những kết quả nghiên cứu
về tính dư cho kết cấu cầu trên thế giới và tại Việt Nam. Từ đó xác định những điểm
cần cải tiến trong quy trình và phương pháp đánh giá tính dư để có thể xác định được hệ
số tính dư chính xác và đơn giản hơn. Trên cơ sở đó, luận án đề xuất mô hình lý thuyết
cho phép xác định chính xác hơn tính dư của kết cấu cầu. Kết quả phân tích lý thuyết
được kiểm chứng lại bằng một số kết quả thí nghiệm.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài luận án
Bằng việc nghiên cứu, ứng dụng lý thuyết phân tích phi tuyến vật liệu và phương
pháp PTHH mở rộng, luận án đã đề xuất quy trình xác định tính dư trực tiếp đơn giản
hơn so với quy trình của các tác giả trước đó để áp dụng trong thiết kế cầu. Đồng thời
đề xuất mô hình phân tích phi tuyến bằng phương pháp PTHH mở rộng, cho phép xét
đến sự làm việc của kết cấu sau khi những bộ phận chính đầu tiên bị phá hoại.
Luận án đưa ra các dạng kết cấu điển hình trong công trình cầu để xác định tính
dư, giúp thiết lập bảng tra về hệ số tính dư cho các kết cấu này để tiện áp dụng trong xiii

thực tế. Qua đó, phát triển một cơ sở hợp lý cho việc xem xét tính dư kết cấu nhịp và
phần dưới trong thiết kế và đánh giá kết cấu cầu, và phát triển dữ liệu cần thiết để bổ
sung vào tiêu chuẩn thiết kế cầu 22TCN-272-05.
Bố cục của luận án
Để đạt mục tiêu đề ra, luận án giải quyết 03 vấn đề chính: (1) Tổng quan về tình
hình nghiên cứu tính dư, xác định mục tiêu nghiên cứu tính dư (2) Đánh giá và định
chuẩn tính dư của kết cấu công trình cầu trên cơ sở lý thuyết độ tin cậy (3) Tính toán,
đánh giá tính dư kết cấu trụ cầu.
Luận án được cấu thành các nội dung như sau:
Phần mở đầu: Giới thiệu về các lý do chọn lựa đề tài, mục đích nghiên cứu,
phương pháp nghiên cứu, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài luận án và bố cục
luận án.
Chương 1. Tổng quan về tính dư và xác định mục tiêu nghiên cứu
Chương 2. Cơ sở phân tích và định chuẩn tính dư kết cấu
Chương 3. Đề xuất mô hình tính toán tính dư của kết cấu dựa trên phân tích phi
tuyến vật liệu và phương pháp PTHH mở rộng
Chương 4. Các ví dụ tính toán bằng số và kết quả thí nghiệm kiểm chứng
Kết luận và kiến nghị