Tiến Sĩ Phân tích mô hình tính toán kết cấu công trình bến cảng đặc biệt lắp ráp nhanh trong giai đoạn thi c

Mở đầu
01. Đặt vấn đề
Việt Nam nằm dọc gần 1/3 chiều di Biển Đông l vùng biển được bao quanh bởi các quốc gia có tốc độ công nghiệp hoá cao v l một trong những tuyến vận tải đường biển quốc tế tấp nập nhất thế giới. Vùng biển Việt Nam án ngữ trên các tuyến hng hải v hng không huyết mạch giữa ấn Độ Dương - Thái Bình Dương, giữa Châu Âu, Trung Cận Đông với Trung Quốc, Nhật Bản v các nước trong khu vực, 5/10 tuyến đường hng hải lớn nhất của hnh tinh đi qua. Việt Nam có chiều di bờ biển trên 3260 km, có khoảng 160 cửa sông đổ ra biển, có rất nhiều vịnh, vũng để xây dựng các cảng biển ngang tầm thế giới như: Cam Ranh, Vân Phong, Đầm Môn, Dung Quất, Ghềnh Rái, Mũi Né, Liên Chiểu, Chân Mây, Vũng áng, Nghi Sơn, Cửa Lục, Cửa Ông, Tiên Yên v.v v 2.779 hòn đảo lớn nhỏ với tổng diện tích 1.636 km2. Tuy phân bố các đảo không đều, nhưng tất cả các vùng biển ven bờ Việt Nam đều có các đảo che chắn ở mức độ khác nhau.
Thêm nữa Việt Nam có 41.900 km đường sông trong đó đa khai thác 11.000 km cho đường thuỷ nội địa. Có thể nói Việt Nam đủ cơ sở để phát triển đều cả 5 ngnh kinh tế biển (KTB) (Cảng, Đóng tu, Dầu khí, Hải sản, Du lịch biển - Lấn biển), trong đó cảng biển l then chốt, động lực, đầu tu nên phải được hiện đại hoá một bước, phát triển trước một bước nhất l khi chiến lược cạnh tranh phải chớp thời cơ để tranh ginh thị phần, thị trường.
Theo quan điểm v mục tiêu của quy hoạch phát triển hệ thống cảng biển Việt Nam đến năm 2020 v định hướng đến năm 2030: tận dụng tối đa lợi thế về vị trí địa lý v điều kiện tự nhiên để phát triển ton diện hệ thống cảng biển, đột phá đi thẳng vo hiện đại, nhanh chóng hội nhập với các nước trong khu vực về lĩnh vực cảng biển; phát triển hợp lý giữa các cảng tổng hợp quốc gia, cảng chuyên dụng, cảng địa phương, chú trọng phát triển cảng nước sâu ở cả ba miền; phát triển hướng mạnh ra biển để nhanh chóng tiếp cận với biển xa, giảm thiểu khó khăn trở ngại về luồng tu vo cảng; kết hợp chặt chẽ giữa phát triển cảng biển với quản lý bảo vệ môi trường, đảm bảo sự phát triển bền vững, gắn liền với yêu cầu đảm bảo an ninh quốc phòng v.v Do đó việc tập trung xây dựng các cảng nước sâu, cảng trung chuyển cho tu có trọng tải lớn đạt tiêu chuẩn quốc tế v phát triển bến cảng tại các huyện đảo phục vụ phát triển kinh tế - xa hội, an ninh, quốc phòng v củng cố an ninh quốc phòng l một trong những nhiệm vụ quan trọng trong chiến lược phát triển kinh tế biển.
Hiện nay trên thế giới xu thế các dạng kết cấu công trình cảng lắp ghép với ưu điểm rút ngắn thời gian thi công ngoi hiện trường m vẫn đảm bảo yêu cầu về thi công an ton, kết cấu bền vững ngy cng được ứng dụng nhiều. BLRN l kết cấu bến cảng lắp ghép với các đặc điểm thời gian thi công rất nhanh, sử dụng phương pháp thi công có tính công nghiệp hoá, tính cơ động cao, kết cấu bền vững, lại có thể xây dựng ở khu vực nước sâu, những nơi có mực nước thường xuyên thay đổi gần bờ hoặc nơi hải đảo xa đất liền đa được áp dụng khá phổ biến cho mục đích thương mại v cả quân sự ở nhiều nước trên thế giới như Mỹ, Nam Mỹ, Châu Phi, Singapo, Malaixia, Thái Lan v.v v cũng đa từng được xây dựng tại Việt Nam. Với những đặc điểm v yêu cầu xây dựng cảng như trên cho thấy việc áp dụng BLRN trong xây dựng cảng biển l rất cần thiết. Để Việt Nam có thể tự v chủ động trong chế tạo phân đoạn BLRN điển hình v đặc biệt l lm chủ trong thi công lắp dựng BLRN phù hợp với các nhu cầu v đặc điểm đặt ra như: đáp ứng cho nhu cầu vo v ra của các loại tu có mớn nước lớn trong hiện tại v tương lai; điều kiện xây dựng trên nền đất rất yếu, khu nước có mực nước thường xuyên thay đổi, điều kiện tự nhiên nằm trong khu vực được che chắn v không được che chắn (như xây dựng các căn cứ quân sự tại hải đảo, các cảng đảo v hải đảo); điều kiện về cung ứng vật liệu v chế tạo các bộ phận tại Việt Nam; trình độ khoa học v công nghệ tại Việt Nam v.v . cần nghiên cứu đầy đủ về các vấn đề liên quan. Những nội dung nghiên cứu của Luận án “Phân tích mô hình tính toán kết cấu công trình bến cảng đặc biệt lắp ráp nhanh trong các giai đoạn thi công xây dựng tại Việt Nam” sẽ góp phần giải quyết các vấn đề đòi hỏi cấp thiết từ thực tế nêu trên.
02. Mục tiêu v những nội dung cần giải quyết của Luận án
Trên thế giới BLRN l một loại kết cấu bến cảng m hải quân Mỹ dùng để phục vụ mục đích quân sự (1930 – 1970), sau năm 1970 nó được ứng dụng cho xây dựng cảng dầu, cảng hng tổng hợp v chuyên dụng container với bản quyền thiết kế v thi công của IPCO Group (trước đây l sự kết hợp của GEM HERSENT – Paris, HERSENT OFFSHORE LTD.- London v DELONG CORPORATION – New York). Vì vậy các ti liệu về BLRN hầu như không có v không đủ để phục vụ cho việc thiết kế v thi công để áp dụng loại kết cấu bến ny tại Việt Nam. Ngoi ra, hiện nay IPCO Group có thiết kế v chế tạo sẵn các bộ phận BLRN cho xây dựng ở nhiều nơi trên thế giới v ứng với các điều kiện tự nhiên của nhiều vùng miền có thể gây lang phí về kinh tế khi áp dụng xây dựng tại Việt Nam. Ti liệu dnh riêng cho thiết kế v thi công BLRN tại Việt Nam chưa được đề cập m chỉ có các ti liệu liên quan như: Tiêu chuẩn Việt Nam về kết cấu thép, quy phạm đóng tu, về thiết kế công trình bến cảng biển, về thiết kế móng cọc, về tải trọng v tác động, tiêu chuẩn ngnh về tải trọng v tác động do sóng v do tu tác động lên công trình thuỷ, hoặc một số Tiêu chuẩn có liên quan đến công trình xa bờ của Viện dầu mỏ Mỹ, Det Norske Verta hướng dẫn thiết kế một vi bộ phận gin Jacket (kiểm tra ứng suất tĩnh tại vị trí mối nối của các thanh ống, lực cắt tại các vị trí nối), v.v .
Nhằm mục tiêu đưa BLRN được ứng dụng rộng rai tại Việt Nam, hơn nữa Việt Nam có thể tự chủ động trong thiết kế v thi công loại kết cấu ny thông qua việc nghiên cứu phân tích chọn mô hình tính phù hợp với các trạng thái lm việc của nhiều giai đoạn v phù hợp với đặc thù khách quan về điều kiện thiết kế, đặc biệt l điều kiện thi công cũng như cấu tạo của BLRN, Luận án “Phân tích mô hình tính toán kết cấu công trình bến cảng đặc biệt lắp ráp nhanh trong các giai đoạn thi công xây dựng tại Việt Nam” ra đời.
03. Phạm vi nghiên cứu
Luận án chỉ tập trung nghiên cứu về kết cấu BLRN với các đặc điểm sau:
- BLRN có kết cấu cầu tu đi cao được cấu tạo bởi các modul đi l các phương tiện thuỷ được chế tạo sẵn rồi l phương tiện chuyên chở các bộ phận khác hoặc được kéo ra biển để lắp ghép với hệ cọc bằng các kích Delong.
- Vùng hạn chế hoạt động ven biển Việt Nam cho bộ phận đi cọc khi l phương tiện thuỷ thuộc vùng hạn chế cấp III (vùng biển hở hạn chế cách xa bờ hoặc nơi trú ẩn nhỏ hơn 20 hải lý).
- Điều kiện địa chất nơi xây dựng cho phép đóng cọc (không l nền san hô).
04. phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu được lựa chọn l phương pháp lý thuyết :
- Thông qua việc tham khảo các ti liệu có liên quan để nghiên cứu tổng quan về BLRN, về điều kiện tự nhiên Việt Nam ảnh hưởng đến xây dựng BLRN cũng như điều kiện cung ứng vật tư, chế tạo tại Việt Nam, tổng hợp cập nhật cấu tạo v mô hình tính để xây dựng mô hình tính toán BLRN
- Nghiên cứu lý thuyết về bản chất v các trạng thái lm việc của BLRN qua các giai đoạn thi công để xây dựng mô hình tính. Sử dụng những thnh tựu khoa học, kỹ thuật của thế giới v Việt Nam, tham khảo các công trình liên quan để phân tích, lựa chọn mô hình tính BLRN theo các giai đoạn thi công gần sát với mô hình thực tế.
- Kiến nghị sử dụng tiêu chuẩn, quy phạm trong tính toán thiết kế sơ bộ các bộ phận BLRN, tính toán tải trọng tác dụng BLRN v các ti liệu liên quan. Kiến nghị lựa chọn phần mềm thích hợp để phân tích trạng thái ứng suất v biến dạng BLRN trong thi công v khai thác.
- Tiến hnh thiết kế một phân đoạn BLRN mẫu ứng với các điều kiện tự nhiên trong quá trình thi công v khai thác tại Việt Nam.
05. ý nghĩa khoa học v thực tiễn của đề ti nghiên cứu
Về nghiên cứu lý thuyết:
- Luận án nghiên cứu tính năng, tác dụng, ưu nhược điểm v phạm vi ứng dụng của dạng BLRN trên thế giới v Việt Nam, các điều kiện tự nhiên phù hợp cho áp dụng BLRN tại Việt Nam cho hiện tại v tương lai.
- Luận án nghiên cứu về tiến trình thi công BLRN để xác định các giai đoạn tính toán thi công điển hình v các vấn đề liên quan đến xây dựng v lựa chọn mô hình tính BLRN trong thi công xây dựng tại Việt Nam.
- Xây dựng v hon thiện một bước mô hình tính toán điển hình BLRN theo các giai đoạn thi công.
+ Mô hình BLRN tương ứng với giai đoạn thi công lắp dựng khác với các kết cấu bến thông thường khác (mô hình cọc - kích, mô hình s lan –cọc) từ đó xác định mô hình phân tích kết cấu v các tác động đến các bộ phận chi tiết của BLRN theo từng giai đoạn thi công.
+ Mô hình BLRN ở giai đoạn khai thác: xây dựng mô hình kết cấu không gian. Đi sâu hơn vo phân tích lựa chọn điều kiện biên liên kết, vận dụng Tiêu chuẩn OCDI 2002 của Nhật chọn liên kết giữa cọc với đất nền theo mô hình ngm đn hồi phù hợp hơn với thực tế. So sánh kết quả phân tích sử dụng mô hình ngm đn hồi nói trên với mô hình ngm cứng theo Tiêu chuẩn hiện hnh của Việt Nam, đánh giá mức độ phù hợp thực tế, v khả năng áp dụng của hai mô hình khi phân tích kết cấu BLRN.
Về nghiên cứu ứng dụng
- Đề xuất loại kết cấu bến phù hợp với mục tiêu phát triển hệ thống cảng biển hiện nay tại Việt Nam l BLRN. BLRN l một dạng cầu tu đi cao mềm có cấu tạo:
+ Đi l S lan mẫu
+ Cấu tạo nền cọc, các hệ cọc thép có đường kính D = 1,8m; D = 1,2m;
+ Khai thác một dạng liên kết Delong cho thi công BLRN
- Phân tích, luận chứng để đề xuất, kiến nghị các ti liệu, tiêu chuẩn, quy phạm áp dụng bước đầu trong thiết kế v thi công BLRN tại Việt Nam.
- Kiến nghị ứng dụng phần mềm thích hợp vo phân tích kết cấu BLRN. Trong kỹ năng phân tích chi tiết đa sử dụng mô hình hỗn hợp gồm thanh, tấm, khối v.v với các điều kiện biên liên kết phù hợp.
- Thiết kế một phân đoạn BLRN mẫu có khả năng ứng dụng thực tế ứng với quy mô của 5 loại cảng hiện đại khác nhau tại Việt Nam thông qua phân tích 6 ví dụ với các tham số đầu vo cơ bản như kích cỡ s lan, đường kính cọc ống thép, điều kiện tải trọng v các tác động khác nhau tương ứng với các vùng biển đặc trưng Bắc Bộ, Trung Bộ, Nam Bộ v Vịnh Thái Lan.


Mục lục
Trang phụ bìa
Lời cam đoan
Lời cảm ơn
Mục lục
Danh mục các ký hiệu v chữ viết tắt
Danh mục các bảng biểu
Danh mục các hình vẽ, đồ thị
Mở đầu
01. Đặt vấn đề 1
02. Những nội dung cần giải quyết 2
03. Phạm vi nghiên cứu 3
04. Phương pháp nghiên cứu 4
05. ý nghĩa khoa học v- thực tiễn của đề t-i nghiên cứu 4
Chương 1: Tổng quan về bến cảng biển lắp ráp nhanh v khả năng ứng dụng trong
xây dựng cảng ở Việt Nam
1.1 Khái niệm v- cấu tạo BLRN 6
1.2. Trình tự v- các giai đoạn thi công BLRN 12
1.2.1. Trình tự thi công BLRN cố định 12
1.2.2. Các giai đoạn tính toán thi công BLRN cố định 16
1.2.3. Trình tự thi công BLRN bán cố định v- việc tái sử dụng BLRN 16
1.3. Giới thiệu một số ví dụ BLRN 18
1.3.1 Một số công trình BLRN trên thế giới 18
1.3.2. Một số BLRN đG được xây dựng tại Việt Nam 21
1.4. Điều kiện tự nhiên vùng biển Việt Nam v- các vị trí có thể xây dựng BLRN 22
1.4.1. Giới thiệu về vùng biển Việt Nam 22
1.4.2. Các điều kiện tự nhiên trên vùng biển Việt Nam 23
1.4.3. Lựa chọn các vị trí xây dựng BLRN 27
1.5. Cung ứng vật liệu v- chế tạo các bộ phận BLRN ở Việt Nam 36
1.6. Tổng quan về b-i toán thiết kế BLRN 36
II
1.6.1. Các loại mô hình tính toán bến cầu t-u đ-i cao 36
1.6.2. Các phương pháp phân tích kết cấu 38
1.7. Kết luận chương 1 39
Chương 2: Cơ ssở llý tthuyếtt v xây dựng các mô hìình ttíính điiển hìình cho bến llắp
ráp nhanh
2.1. Sơ đồ kết cấu BLRN 41
2.2. Phương pháp luận thiết kế BLRN 42
2.3. Sơ đồ khối tính toán thiết kế BLRN 43
2.4. Các cơ sở lý thuyết về mô hình tính 43
2.4.1. Các cơ sở lý thuyết về mô hình tính s- lan 45
2.4.2. Các cơ sở lý thuyết về mô hình tính cọc 47
2.4.3. Các cơ sở lý thuyết về mô hình tính BLRN 47
2.5. Phân tích, lựa chọn v- mô phỏng các liên kết chính trong mô
hình tính BLRN 48
2.5.1. Phân tích, lựa chọn v- mô phỏng các liên kết chính trong quá trình thi
công BLRN 48
2.5.2. Lựa chọn, phân tích v- mô phỏng các liên kết trong quá trình khai thác 50
2.6. Xây dựng mô hình tính BLRN 57
2.6.1. Các giả thiết trong xây dựng mô hình tính BLRN 57
2.6.2. Các mô hình tính BLRN 59
2.6.3. So sánh các mô hình tính BLRN đG xây dựng với các mô hình tính
bến dạng jacket, móng cọc đ-i cao v- gi-n khoan jack-up. 64
2.7. Kết luận chương 2 65
Chương 3: Tính ttoán bến llắp ráp nhanh ttrong điiều kiiện thi công xây dựng tạii
Viiệtt Nam
3.1. Nghiên cứu tính toán thiết kế BLRN 69
3.1.1. Các quy định chung về tính toán công trình bến phù hợp với BLRN 69
3.1.2. Những yêu cầu khi áp dụng xây dựng BLRN 70
3.1.3. Xác định kích thước cơ bản của bến 71
3.1.4. Xaực ủũnh taỷi troùng vaứ taực ủoõùng leõn BLRN 72
3.1.5. Tính toán thiết kế s- lan 73
3.1.6. Lửùa choùn coùc oỏng theựp 77
III
3.2. Các trường hợp tính toán BLRN 77
3.2.1. Đ-i cọc khi l- phương tiện thuỷ 78
3.2.2. Trường hợp thi công 78
3.2.3. Trường hợp khai thác 78
3.3. Các tổ hợp tải trọng tính toán điển hình cho thi công v- khai thác 79
3.3.1. Tổ hợp tải trọng trong thi công lắp dựng 79
3.3.2. Tổ hợp tải trọng trong giai đoạn khai thác BLRN 80
3.4. Mô hình hoá v- phân tích kết cấu BLRN 82
3.4.1. Mô hình hoá kết cấu 82
3.4.2. Giới thiệu các phần mềm ứng dụng ANSYS – SAP2000 – MIDAS
trong phân tích kết cấu BLRN 83
3.4.3. Mô hình hoá, phân tích kết cấu BLRN bằng SAP 2000 v- MIDAS 87
3.5. Mô hình hoá v- phân tích kết cấu cho các TH tính toán BLRN 88
3.5.1. Các trường hợp thi công 88
3.5.2. Các trường hợp khai thác 89
3.5.3. Mô hình hoá BLRN trong điều kiện không khai thác thuộc vùng
không được che chắn 91
3.5.4. Biểu diễn kết quả v- phương pháp xử lý kết quả tính 91
3.6. Kết luận chương 3 95
Chương 4: ứng dụng ttíính ttoán cụ tthể v đánh giiá kếtt quả
4.1. Các căn cứ lựa chọn kích thước phân đoạn BLRN mẫu 96
4.1.1. Lựa chọn kích thước cơ bản 96
4.1.2. Lựa chọn nền cọc 97
4.1.3. Thiết kế tối ưu cho s- lan l-m phân đoạn BLRN 97
4.2. Phân tích, lựa chọn các ví dụ tính toán BLRN tại một số vị trí xây
dựng điển hình 97
4.2.1. Thiết kế s- lan mẫu BLRN 97
4.2.2. Lựa chọn vị trí xây dựng với các điều kiện tự nhiên v- điều kiện
khai thác 99
4.3. ứng dụng tính toán cụ thể cho 6 ví dụ 101
4.3.1. Trường hợp thi công 101
4.3.2. Trường hợp khai thác 103
IV
4.3.3. Trường hợp không khai thác trong vùng không được che chắn 109
4.4. Biểu diễn v- xử lý các kết quả tính toán của các ví dụ 111
4.4.1 Trường hợp thi công 111
4.4.2. Trường hợp khai thác 113
4.4.3. BLRN trong vùng không được che chắn trong TH không khai thác
trong điều kiện tự nhiên bất lợi 120
4.5. Đánh giá các kết quả tính toán v- đề xuất các giải pháp khi kết quả
tính toán chưa thoả mGn hoặc quá thiên về an to-n 121
4.5.1. Trường hợp thi công 121
4.5.2. Trường hợp khai thác 121
4.5.3. Trường hợp không khai thác trong vùng không được che chắn 123
4.5.4. Đề xuất mốt số giải pháp khi kết quả tính chưa thoả mGn khi kiểm
toán theo hai nhóm TTGH 124
4.6. Kết luận chương 4 124
Kết luận – Kiến nghị 126
5.1. Những đóng góp khoa học chính của Luận án 126
5.2. Kiến nghị 127
5.3. Phương hướng nghiên cứu phát triển của luận án 128
Danh mục các công trình của tác giả
Ti liệu tham khảo