BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI NGUYỄN VIẾT HUY NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ TÍNH DƯ TRONG KẾT CẤU CẦU Ở VIỆT NAM NGÀNH: KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG MÃ SỐ: 62580205 CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬTXÂY DỰNG CẦU HẦM TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2015 Công trình được hoàn thành tại: Bộ môn Cầu - Hầm, Khoa Công trình, Trường Đại học Giao thông Vận tải NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS.TS. Trần Đức Nhiệm 2. PGS.TS. Nguyễn Thị Minh Nghĩa Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án cấp Trường theo quyết định số của Hiệu trưởng Trường Đại học Giao thông Vận tải vào hồi: giờ ngày tháng năm Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Quốc gia Việt Nam - Thư viện Đại học Giao thông Vận tải 4 MỞ ĐẦU Lý do để chọn đề tài Trong tiêu chuẩn thiết kế cầu của Việt Nam (22-TCN-272- 05), tính dư 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 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. Do vậy, việc nghiên cứu để cải tiến quy trình xác định tính dư, sao cho dễ áp dụng hơn và hợp lý hơn, đặc biệt cho các kết cấu công trình cầu ở Việt Nam là rất cần thiết, nghiên cứu sinh chọn đề tài “Phân tích đánh giá tính dư trong kết cấu cầu ở Việt Nam”. Mục đích nghiên cứu: Xây dựng quy trình trực tiếp và đơn giản để xác định tính dư cho kết cấu cầu. Xây dựng mô hình phần tử hữu hạn cho phép phân tích phi tuyến sự làm việc của kết cấu cầu ngoài giới hạn đàn hồi, kể cả khi một số bộ phận kết cấu chính đã bị phá hoại để làm cơ sở cho việc áp dụng quy trình trực tiếp để xác định tính dư cho kết cấu cầu. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: Đối tượng nghiên cứu là mô hình làm việc phi tuyến của kết cấu, pham vi nghiên cứu là kết cấu phần trên và kết cấu phần dưới của công trình cầu tại Việt Nam. Phương pháp nghiên cứu: Sử dụng phương pháp phân tích để xây dựng mô hình lý thuyết. Tiến hành kiểm chứng tính đúng đắn của mô hình lý thuyết bằng thực nghiệm và các kết quả nghiên cứu trước đó. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài luận án: Đề tài đã làm rõ được khái niệm tính dư trong tính toán thiết kế cầu, trình bày được các phương pháp đánh giá, xác định tính dư cho kết cấu cầu. Ý nghĩa khoa học chính của đề tài là đã cải tiến được quy trình đánh giá tính dư trực tiếp của các tác giả nước ngoài thành quy trình đánh giá đơn giản và dễ thực hiện hơn dựa trên việc xây dựng mô hình phần tử hữu hạn cho phép phân tích sự làm việc ngoài miền đàn hồi của kết cấu. Phương pháp này cho phép các kĩ 5 sư thiết kế có thể dễ dàng hơn trong việc xác định hệ số tính dư cho kết cấu, ngoài ra cũng đặt cơ sở cho việc xác định hệ số tính dư cho các kết cấu điển hình trong công trình cầu ở Việt Nam. CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ TÍNH DƯ VÀ XÁC ĐỊNH MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU 1.1 Tổng quan về các công trình cầu ở Việt Nam 1.2 Tổng quan về nghiên cứu tính dư và nghiên cứu tính dư trong kết cấu công trình cầu Một xu hướng có thể thấy trong xu thế phát triển chung của công trình cầu ở Việt Nam là có mức độ phức tạp (có thể được hiểu là mức độ dư thừa) tăng dần. Tuy nhiên, việc đánh giá tính dư của kết cấu cầu ở Việt Nam từ trước đến nay chưa được chú trọng, ngoại trừ một số nghiên cứu của PGS.TS. Trần Đức Nhiệm về lý thuyết độ tin cậy như là một cơ sở của việc xác định tính dư. Trên thế giới, Michel Ghosn và Fred Moses, Michel Ghosn và Jian Yang, là những tác giả chính đã nghiên cứu tính dư cho kết cấu công trình cầu. Trong các nghiên cứu này, các tác giả đã định nghĩa tính dư thông qua hệ số bảo toàn hệ thống (R), chỉ số độ tin cậy tương đối và hệ số hệ thống. 1.2.1 Hệ số bảo toàn hệ thống (R) Tính dư của kết cấu cầu được định nghĩa là khả năng của kết cấu tiếp tục chịu được tải trọng sau khi một trong các thành phần của kết cấu bị phá hoại. Một cách khác, là tỷ lệ bảo toàn hệ thống (được biết như là tỷ lệ bảo toàn cường độ) đại diện cho khả năng cuối cùng của hệ thống kết cấu khi so sánh với khả năng của hệ thống để chống lại sự phá hoại của thành phần đầu tiên. Các trạng thái giới hạn được nghiên cứu để xác định tỉ lệ bảo toàn hệ thống: - Phá hoại thành phần - Trạng thái giới hạn cường độ - Trạng thái giới hạn về sử dụng - Trạng thái giới hạn cuối cùng về cường độ 6 1.2.2 Hệ số hệ thống Hệ thống là hệ số liên quan với sự an toàn, tính dư và tính dẻo của hệ thống kết cấu. 1.2.3 Tính dư trong tiêu chuẩn thiết kế 22TCN 272-05 Trong Tiêu chuẩn 22TCN 272-05, tính dư được xét đến thông qua hệ số tính dư nằm trong hệ số điều chỉnh tải trọng. Theo đó, tất cả các cấu kiện và liên kết đều phải thỏa mãn phương trình sau cho tất cả các trạng thái giới hạn, trừ khi được quy định khác. Mọi trạng thái giới hạn được coi trọng như nhau. η∑Y i Q i ≤Φ R n = R r (1.) Trong đó: η= η D η R η l > 0.95 η = hệ số điều chỉnh tải trọng; hệ số liên quan đến tính dẻo, tính dư và tầm quan trọng trong khai thác. η D = hệ số liên quan đến tính dẻo η R = hệ số liên quan đến tính dư η I = hệ số liên quan đến tầm quan trọng trong khai thác Các kết cấu có nhiều đường truyền lực và kết cấu liên tục cần được xét đến tính dư trừ khi có những lý do bắt buộc khác. Các bộ phận hoặc cấu kiện chính mà sự hư hỏng của chúng gây ra sập đổ cầu phải được coi là có nguy cơ hư hỏng và hệ kết cấu liên quan không có tính dư, các bộ phận có nguy cơ hư hỏng có thể được xem là phá hoại giòn. Các bộ phận hoặc cấu kiện mà sự hư hỏng của chúng không gây nên sập đổ cầu được coi là không có nguy cơ hư hỏng và hệ kết cấu liên quan là dư. Đối với trạng thái giới hạn cường độ: η R ≥ 1.05 cho các bộ phận không dư = 1.00 cho các mức dư thông thường ≥ 0.95 cho các mức dư đặc biệt Đối với các trạng thái giới hạn khác: η R = 1.00 1.3 Những vấn đề còn tồn tại trong nghiên cứu tính dư Tiêu chuẩn thiết kế AASHTO đã phác thảo một định dạng diễn giải tính dư và các thông số khác liên quan. Trong quá trình thiết kế s Φ 7 sử dụng một “hệ số điều chỉnh tải trọng” η R , liên quan đến tính dư của kết cấu. Theo tiêu chuẩn 22TCN 272-05 có định nghĩa và hướng dẫn cách áp dụng tương tự tiêu chuẩn thiết kế AASHTO – LFRD như trình bày ở trên.Tuy nhiên, theo các phương pháp trên thì giá trị của η R được xác định bằng cách áp dụng trực tiếp chứ không phải bằng quá trình đánh giá điều chỉnh. Michel Ghosn và cộng sự cũng đã nghiên cứu về các thông số về tính dư thông qua tỷ lệ bảo toàn hệ thống R n ; chỉ số độ tin cậy tương đối ∆β; hệ số tính dư hệ thống φ s . Tuy nhiên, quy trình đề xuất bởi các tác giả này chưa cho phép xác định một cách trực tiếp tính dư trong kết cấu cầu. 1.4 Những vấn đề đề tài tập trung nghiên cứu giải quyết Dựa trên những phân tích trên về tình trạng nghiên cứu về tính dư và hệ số tính dư trên thế giới và ở tại Việt Nam, tác giả xác định các nội dung chính để tập trung giải quyết như sau: 1) Làm rõ khái niệm tính dư và hệ số tính dư sử dụng trong thiết kế cấu theo tiêu chuẩn 22-TCN-272-05 ở Việt Nam. 2) Xây dựng quy trình trực tiếp giúp xác định hệ số tính dư của kết cấu. 3) Trong quy trình trực tiếp này, điểm mấu chốt là cần phát triển được một mô hình kết cấu và mô hình phần tử hữu hạn tương ứng cho phép xác định được tải trọng phá hoại của kết cấu tương ứng với TTGH cuối cùng về cường độ và tải trọng tác dụng lên kết cấu ứng với TTGH của kết cấu về sử dụng. Mô hình này cần có khả năng xác định được tình trạng (chuyển vị, biến dạng, nội lực) trong kết cấu kể cả khi một bộ phận nào đó của kết cấu đã bị phá hoại. CHƯƠNG 2. CƠ SỞ PHÂN TÍCH, ĐÁNH GIÁ VÀ ĐỊNH CHUẨN TÍNH DƯ CỦA KẾT CẤU VÀ ĐỀ XUẤT QUY TRÌNH TỔNG QUAN XÁC ĐỊNH TÍNH DƯ 8 Việc nghiên cứu được chia thành các bước như sau: - Bước thứ nhất là xác định các dạng kết cấu điển hình để xác định tính dư, bước thứ hai là tính toán tính dư cho từng dạng kết cấu chuẩn đã được xác định. - Bước thứ hai là định nghĩa các trạng thái giới hạn liên quan đến hiện tượng mất khả năng làm việc của kết cấu. - Bước thứ ba là sử dụng quy trình lặp và phân tích phi tuyến để xác định tải trọng tác giới hạn kết cấu tương ứng với từng TTGH cho các dạng kết cấu điển hình - Cuối cùng, từ kết quả tải trọng giới hạn xác định từ bước trên để xác định hệ số tính dư. Hệ số tính dư có thể được thể hiện qua: hệ số bảo toàn hệ thống (R), chỉ số độ tin cậy tương đối β member hoặc hệ số tính dư hệ thống φ s . 2.1 Đánh giá tính dư cho kết cấu phần dưới 2.1.1 Xác định kết bên dưới điển hình Theo khảo sát thì các hệ thống kết cấu bên dưới cầu định hình có thể được phân chia thành các loại sau đây: - Kết cấu uốn định hình: trụ tường, kết cấu uốn đơn cột, kết cấu uốn hai cột và kết cấu uốn nhiều cột. - Các loại móng: móng bè, móng cọc và móng giếng chìm - Điều kiện địa chất: đá, cát và sét. - Liên kết: liền khối, liên tục và giản đơn. 2.1.2 Các giả thiết về trạng thái làm việc của kết cấu và TTGH tương ứng 2.1.3 Phương pháp phân tích tính dư 2.1.4 Tính toán tính dư 9 2.1.5 Quan hệ giữa hệ số hệ thống Φ s với phương pháp độ tin cậy của tính dư và tỉ lệ bảo toàn hệ thống R u 2.1.6 Tỉ lệ bảo toàn hệ thống của kết cấu bên dưới điển hình 2.1.7 Quy trình xác định tính dư cho kết cấu phần dưới 2.2 Đánh giá và định chuẩn tính dư của kết cấu phần trên Tính dư của kết cấu phần trên là khả năng của cầu tiếp tục chịu tải trọng sau khi một trong những thành phần của cầu bị phá hoại. Phương pháp để tính toán tính dư và phát triển hệ số hệ thống hay sử dụng phương pháp phân tích trực tiếp. Bao gồm, (a) tính toán các trạng thái giới hạn; (b) mức độ các tải trọng mà kết cấu phải chịu trước khi các trạng thái giới hạn đạt đến; (c) dạng của các điều kiện phá hoại mà kết cấu phải chịu đựng. 2.2.1 Mức độ an toàn của kết cấu phần trên 2.2.2 Các trạng thái giới hạn 2.2.3 Chu kỳ vòng đời và mô hình tải trọng - chỉ số độ tin cậy 2.2.4 Phương pháp độ tin cậy 2.2.5 Xác định chỉ số độ tin cậy mục tiêu 2.2.6 Quy trình kiểm tra tính dư trực tiếp 2.2.7 Quy trình từng bước xác định hệ số dư 2.2.8 Hệ số hệ thống (tính dư) 2.2.9 Hệ số hệ thống cho cầu điển hình thông dụng 2.2.10 Xếp hạng tải trọng cho cầu đang tồn tại 2.3 Kết luận chương 2 Đề xuất Quy trình trực tiếp đánh giá tính dư: 1. Xác định nội lực giới hạn của kết cấu theo tiêu chuẩn thiết kế. (P tk ) 2. Mô hình hóa kết cấu, đặt tải trọng thiết kế lên mô hình 10 3. Gia tăng tải trọng thiết kế để xác định hệ số tải trọng của tải trọng thiết kế tương ứng với các TTGH: - TTGH về mặt sử dụng: P sd - TTGH cường độ: P cd 4. Xác định hệ số tính dư ứng với các TTGH. Hệ số tính dư tổng thể là hệ số tính dư nhỏ nhất. 5. Nếu hệ số tính dư >1 thì cầu có dư. Nếu hệ số tính dư nhỏ hơn 1 thì cầu không dư. 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 3.1 Mô hình kết cấu Sử dụng mô hình khung dầm của Timoshenko (có kể đến biến dạng do ứng suất tiếp theo phương ngang) để mô tả chính xác hơn sự làm việc của các điểm trên mặt cắt dầm. Mô hình dầm Timoshenko coi sau khi biến dạng, mặt cắt bị nghiêng so với phương vuông góc của trục thanh một góc là φ. Q C F Γ u f(x) Γ q q(x) m(x) [...]... cho các kết cấu cầu điển hình ở Việt Nam Các hướng triển khai cụ thể như sau: - - Phân tích được trình bày trong luận án này được thực hiện riêng lẽ cho kết cấu bên dư i và kết cấu nhịp Phương pháp này hợp lý cho trường hợp khi kết cấu nhịp được kết nối với kết cấu bên dư i qua gối cầu Nghiên cứu trong tương lai là với kết cấu cầu liên kết nliền khối giữa hai hệ thống kết cấu Kết quả phân tích trong. .. dạng kết cấu nhịp và bên dư i định hình; đồng thời đưa ra một phương pháp phân tích trực tiếp để 30 đánh giá tính dư kết cấu nhịp và bên dư i cho kết cấu không định hình II Định hướng tiếp tục nghiên cứu Trong luận án này, nghiên cứu sinh đã đề xuất được quy trình đơn giản và công cụ phân tích đi kèm để phân tích tính dư cho toàn bộ kết cấu cầu, kể cả kết cấu phần dư i và kết cấu phần trên Mô hình phân. .. một cơ sở hợp lý cho việc xem xét tính dư kết cấu nhịp và phần dư i 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 Kết quả nghiên cứu là (1) phát triển quy trình phân tích để định lượng tính dư của kết cấu nhịp và bên dư i cầu và (2) cung cấp một bộ hệ số tính dư hệ thống áp dụng cho hình dạng kết cấu nhịp và bên dư i định... 1.06 4.4 Kết luận chương 4 Trong chương này, luận án đã tiến hành phân tích xác định tải trọng cực hạn và tính dư cho 3 trường hợp: trụ 2 cột, trụ 3 cột và dầm liên tục 2 nhịp Đây là các trường hợp tương đối điển hình cho các dạng kết cấu phần trên và kết cấu phần dư i ở Việt Nam Kết quả xác định được: - Hệ số tính dư của kết cấu trụ 2 cột bằng khoảng 1.193 Hệ số tính dư cho kết cấu trụ 3 cột bằng khoảng... tích đã xét đến được các trạng thái phá hoại phi tuyến mà các mô hình trước đây chưa đề cập đến như: phá hoại do cắt, phá hoại tổng thể của kết cấu sau khi một thành phần đã bị phá hoại Tác giả cũng đã tổng kết được các dạng kết cấu điển hình trong công trình cầu và phân tích sơ bộ tính dư của các kết cấu này Trong các nghiên cứu tiếp theo, nghiên cứu sinh sẽ áp dụng mô hình này để phân tích tính dư. .. thiết kế cầu Luận án cũng đã đề xuất mô hình phân tích phi tuyến bằng phương pháp phần tử hữu hạn 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 cũng đã đề cập đến việc xác định 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 thực tế Kết quả... tính dư cho kết cấu nhịp dầm BTCT 2 nhịp liên tục bằng 1.06 29 Các hệ số này chưa đủ tính tổng quát do chưa được khảo sát với nhiều kích thước và thông số vật liệu khác nhau nhưng có giá trị tham khảo cho kĩ sư khi thiết kế cầu Ngoài ra, cũng chứng minh khả năng áp dụng dễ dàng trong thực tế của quy trình đánh giá tính dư trực tiếp và mô hình phi tuyến phân tích kết cấu do nghiên cứu sinh đề xuất KẾT... Theo phân tích tuyến tính, giá trị này tạo ra mômen uốn lớn nhât tại mặt cắt chân cột bằng 56,7 kNm 24 - Như vậy, tính được hệ số tải trọng theo phân tính tuyến tính bằng: LFreq = 161/56.7= 2.82 Bước 2 Xác định lực ngang giới hạn tương ứng với TTGH Sử dụng - - Lực ngang ứng với TTGH sử dụng là lực ngang gây ra chuyển vị lớn trên kết cấu làm cho kết cấu không còn khả năng sử dụng Đối với kết cấu trụ,... NGHỊ I Kết luận về những đóng góp của luận án 1 2 3 4 Luận án đã thực hiện các phương pháp phân tích, giả thiết mô hình, phân tích độ tin cậy và định chuẩn hệ số tính dư Bằng việc nghiên cứu, ứng dụng lý thuyết phân tích phi tuyến vật liệu và phương pháp phần tử hữu hạn 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 dể áp dụng trong. .. 3 Kết quả từ mô hình phân tích (phóng đại 1000 lần) Kết quả mô hình cho thấy mô hình thể hiện đúng vị trí phá hoại và trạng thái phá hoại của dầm (do mô men uốn ở vùng giữa nhịp) Hình 3.8 thể hiện biểu đồ lực - độ võng của dầm theo kết quả thí nghiệm và theo mô hình phân tích Hình 3 Đường cong lực - độ võng từ kết quả thí nghiệm và kết quả mô hình Từ biểu đồ so sánh ở hình 3.8, có thể thấy kết quả phân . của kết cấu bên dư i điển hình 2.1.7 Quy trình xác định tính dư cho kết cấu phần dư i 2.2 Đánh giá và định chuẩn tính dư của kết cấu phần trên Tính dư của kết cấu phần trên là khả năng của cầu. sinh chọn đề tài Phân tích đánh giá tính dư trong kết cấu cầu ở Việt Nam . Mục đích nghiên cứu: Xây dựng quy trình trực tiếp và đơn giản để xác định tính dư cho kết cấu cầu. Xây dựng mô hình. trong kết cấu kể cả khi một bộ phận nào đó của kết cấu đã bị phá hoại. CHƯƠNG 2. CƠ SỞ PHÂN TÍCH, ĐÁNH GIÁ VÀ ĐỊNH CHUẨN TÍNH DƯ CỦA KẾT CẤU VÀ ĐỀ XUẤT QUY TRÌNH TỔNG QUAN XÁC ĐỊNH TÍNH DƯ 8 Việc