Nghiên cứu áp dụng kết cấu thép ứng suất trước để tăng cường khả năng chịu lực cửa van thép trong công trình thủy lợi pot

Nghiên cứu áp dụng kết cấu thép ứng suất trước
để tăng cường khả năng chịu lực
cửa van thép trong công trình thủy lợi

ThS. Trương Quốc Bình
Bộ môn Kết cấu công trình,
Trường Đại học Thủy lợi
Tóm tắt : Ứng suất trước đang được sử dụng ngày càng rộng rãi trong các công
trình xây dựng. Phương pháp ứng suất trước là tạo nên ứng suất trong kết cấu
ngược dấu với ứng suất do tải trọng tính toán gây ra, nhằm mục đích: tăng khả
năng chịu lực của kết cấu, tức giảm chi phí vật liệu nhưng vẫn bảo đảm khả năng
chịu lực yêu cầu và làm giảm biến dạng cuối cùng của kết cấu. Vì vậy việc nghiên
cứu, đề suất các sơ đồ ứng suất trước cho kết cấu thép cửa van là nhiệm vụ cấp
bách và cần thiết, nhất là hiện nay, việc sử dụng các kết cấu cửa van thép nhịp lớn
càng trở nên cần thiết để tạo nên các cửa van rộng ngăn triều và nước mặn xâm
nhập sâu vào đất liền
Trong bài viết, tác giả đã đưa ra phương pháp nghiên cứu phân tích cấu tạo
kết cấu, tạo sơ đồ căng ứng suất trước cho các kết cấu một cách hợp lý và kinh tế,
từ đó thiết lập sơ đồ tính toán của các kết cấu cụ thể của cửa van như dầm chính,
dàn ngang, dàn chịu trọng lượng và tiến hành tính toán so sánh ứng suất, biến
dạng của chúng so sánh với phương pháp truyền thống là dùng kết cấu thép
thường, rút ra được những ưu điểm của kết cấu ứng suất trước dùng trong công
trình cửa van thép để kiến nghị áp dụng.
1. Đặt vấn đề
Kết cấu ứng suất trước (ƯST) đang được sử dụng ngày càng rông rãi trong
các công trình xây dựng ở nước ta hiện nay bởi hiệu quả kinh tế kỹ thuật mà kết
cấu mang lại, song trong công trình thuỷ lợi chưa được sử dụng nhiều.
Ở nước ta hiên nay, sự biến đổi khí hậu và nước biển dâng đang đe dọa
nghiêm trọng các công trình thủy lợi đã và đang xây dựng, chúng làm thay đổi các
yêu cầu thiết kế và tính toán, thậm chí còn làm thay đổi nhiệm vụ của công trình
thủy lợi hoặc đặt thêm các yêu cầu phức tạp cho công trình thủy lợi, nhất là tại các

công trình ven biển. Cửa van của công trình là một trong các kết cấu quan trọng
nhất đóng vai trò điều tiết nước và ngăn dòng chảy cũng như lưu thông vận tải
thủy, cần phải có kích thước lớn (hình 1). Với yêu cầu này, kết cấu thép ƯST sử
dụng trong cửa van sẽ có ưu thế là chúng làm tăng được kích thước cửa van về
chiều rộng để tạo được cửa van có nhịp lớn hơn, nhẹ và vững chắc hơn, vận hành
nhanh và trơn tru hơn.

Hình 1. Cửa van nhịp lớn (50~64m) EMS- CHLB Đức ( 2002)

Trong công trình thủy lợi cửa van phẳng và cửa van cung nhịp lớn sử dụng
một khối lượng thép khá lớn, vấn đề nghiên cứu tiết kiêm thép cần được đặt ra và
ứng suất trước là một giải pháp cần được xem xét.

Hình 2. Cửa van thép công trình thủy lợi

Để tăng cường khả năng chịu lực cho cửa van đảm bảo các yêu cầu về
cường độ và ổn định cũng như độ võng hoặc biến dạng của các thành phần của kết
cấu và của toàn cửa van khi đưa vào vận hành, việc nghiên cứu sử dụng các dạng
kết cấu ƯST cho kết cấu cửa van là rất thiết thực, mạng lại hiệu quả kinh tế đáng
kể như giảm nhẹ trọng lượng bản thân cửa van, tăng cứng chống biến dạng hoặc
chuyển vị cho cửa van, tạo điều kiện thuận lợi cũng như giảm chi phí cho công tác
vận hành và tăng tuổi thọ cửa van.
Trong bài viết này, với khuôn khổ có hạn của bản báo cáo khoa học tác giả
chỉ trình bày nghiên cứu và phân tích dầm ƯST để chế tạo làm dầm chính cửa van,
một số các kết cấu khác như hệ thanh ƯST dùng cho dàn ngang và dàn chịu trọng
lượng và các kết cấu khác sẽ được trình bày ở các bài viết sau.
2. Dầm chính ứng suất trước cửa van thép
Dầm chính trong cửa van thép là kết cấu quan trọng nhất vì chịu toàn bộ áp lực
nước theo phương ngang, nó quyết định về khả năng chịu áp lưc nước và biến
dạng theo hướng ngang của cửa van, khi được cấu tạo dạng dầm ƯST sẽ làm thay

đổi căn bản khả năng chịu lực và biến dạng của toàn cửa van so với dầm thép
truyền thống.
a) Phân tích cấu tạo:
Câc phương pháp tạo ƯST :
. - Dùng dây căng bằng thép cường độ cao để gây ứng suất trước trong kết cấu,
bản chất của phương pháp này là năng lượng của dây căng trước được tích lũy gây
nên ứng suất ngược dấu với ứng suất do tải trọng gây ra, khi chịu tải cả dây căng
và thanh cùng làm việc.
- Điều chỉnh nội lực trong kết cấu bằng chuyển vị gối tựa.
- Tạo ứng suất trước bằng cách gây biến dạng đàn hồi các bộ phận của kết cấu
Dầm chính của cửa van thường dùng dạng chữ I chữ T hoặc dạng hộp, chiều
cao dầm ở 2 đầu nhỏ hơn ở giữa nhịp tùy thuộc vào chọn bề rộng khe van, chiều
dài dầm phụ thuộc kích thước khoang cống (hình 3).
Ứng suất trước trong dầm có thể được tạo ra bằng cách đặt thêm cáp hoặc bó
sợi thép có cường độ cao chịu kéo trong vùng kéo của dầm (hình 4).

Hình 3. Dầm chính cửa van phẳng bằng thép

Hình 4. Một số cách bố trí cáp căng cho dầm ƯST



Do sự lệch tâm của dầm gây ra bởi cáp cường độ cao, ứng suất kéo sẽ xuất
hiện ở vùng nén của dầm và giảm dần khi hoạt tải tác động lên dầm tăng lên, khi
đó ứng suất ban đầu do ứng suất trước gây ra dần dần trở về trạng thái trung hòa
và vì vậy mà tổng tải trọng dầm chịu được do hoạt tải gây nên sẽ tăng lên. Như
vậy là căng cáp đặt vào miền kéo của dầm đã làm tăng được tải trọng tác dụng lên
dầm.(phương pháp tạo ƯST bằng cáp hoặc bó sợi thép cường độ cao)
b) Nguyên lý tính toán của sơ đồ ƯST
Ở bài toán thanh chịu kéo có tiết diện A

1
, cường độ tính toán R
1
, khả năng
chịu lực của thanh trong hai trường hợp:
- Khi thanh không có ứng suất trước: P
1
= A
1
R
1

- Khi thanh có ứng suất trước: P
2
= A
1
(R
1
+σ
01
)
trong đó:
σ
01
- ứng suất nén trước của thanh
Khi ứng suất trong dây căng đạt đến cường độ tính toán của vật liệu R
2
thì
giới hạn bền của thanh là:
P

2
= A
1
R
1
+ A
2
R
2
(1)
tr0ng đó A
2
là diện tích tiết diện dây căng
Đặt: α = A
2
/ A
1
và β = R
2
/ R
1
thì (1) được viết lại P
2
= A
1
R
1
(1+αβ)
Lượng (1+αβ) chính là hệ số tăng khả năng chịu lực của kết cấu ứng suất trước so
với kết cấu không có ứng suất trước.

Phân tích dầm đơn ứng suất trước được tiến hành như sau: đầu tiên cáp được
căng với lực P
c
đặt lệch tâm so với trọng tâm dầm, lực nén lệch tâm này làm cho
cánh trên của dầm sinh ra ứng suất kéo.

và ở cánh dưới của dầm chịu ứng suất nén


trong đó:
n
2
– hệ số tải trọng của lực căng trước;
W
t
và W
d
– mômen chống uốn của dầm ở thớ trên và thớ dưới
h
a
- khoảng cách từ phương lực căng trước tới trọng tâm dầm
Lực căng trước P
c
khi biết được tải trọng tác dụng.


Mặt khác lực căng trước P
kc
được khống chế bằng giá trị sau

trong đó:
X
1
- lực căng thêm của cáp
F
a
, L
a
- diên tích tiết diện chiều dài dây căng.
R
a
, E
a
- cường độ và môđun dàn hồi thép làm dây căng.

a
- độ mềm của neo
và lực căng trước P
kc
không được lớn hơn khả năng chịu nén của cánh dưới của
dầm trong quá trình tạo ứng suất trước.
3. Tính toán cửa van phẳng loại 2 dầm chính
- Số liệu tính toán
Chọn trường hợp tính toán cho của van phẳng trên mặt có kích thước thông
thường gặp trong thực tế: H
o
= 6m, L=12m
Vật liệu chế tạo cửa van là thép CT3 có E = 2,1.10
6
daN/cm

2
, µ=0.3.
Dầm chính bố trí theo nguyên tắc hai dầm chính chịu tải trọng như nhau, ứng
suất trước do lực F được đặt lên đầm chính gây ra qua cáp căng trước.
Dầm ứng suất trước được sử dụng làm dầm chính cho của van và lực đặt
trước trong dầm để tạo ƯST được gia tải qua các gối căng cáp (như sơ đồ hình 3)
- Mô hình tính toán
Lập sơ đồ không gian cửa van theo phương pháp phân tử hữu hạn, dùng
phần mềm SAP2000 được thể hiện ở hình 5.
Khai báo phần tử để tính toán
- Bản mặt: + phần tử Shell
- Dầm chính: + bản bụng, bản cánh dầm dùng phần tử Shell
- Trụ biên: + bản bụng, bản cánh dùng phần tử
Shell
- Dầm phụ và dàn ngang: + phần tử Frame
Để khai báo lực căng trước trong dầm, có thể đặt một cặp lực kéo giữa 2
gối căng thay cho dây căng ứng suất trước.như trong hình 3 và khi cần khảo sát
biến đổi ứng suất của dầm có thể thay đổi lực căng F đặt tại gối căng.

Hình 5- Mô hình tính toán dầm chính ứng
suất trước


4. Kết quả tính toán
- Trạng thái ứng suất trong dầm
Kết quả tính toán ứng suất của dầm chính trong bài toán phân tích tổng thể
cửa van theo sơ đồ không gian như sau:

Hình 6 - Ứng suất pháp


11
của dầm chính khi làm việc bình
thường không có ƯST
Như ta thấy trên hình vẽ, ứng suất của dầm khi không có ứng suất trước thể
hiện rõ miền kéo và nén. Ứng suất trước trong dầm sẽ được tạo ra sao cho ứng
suất ở các miền kéo nén đều giảm nhờ lực căng F đặt vào miền kéo của bụng dầm
(vị trí lực căng F ở hình 3). Lực căng F đã làm trạng thái ứng suất trong dầm thay
đổi có lợi cho khả năng chịu lực của dầm (hình 7 và 8).

Hình 7 Ứng suất pháp

11
của dầm chính làm việc khi có ƯST
(T=10T)

Hình 8 Ứng suất pháp

11
của dầm chính làm việc khi có ƯST
(T=20T)


- Kết quả tính toán:
Kết quả tính toán dầm chính như sau:

Hình 9 Ký hiệu vị trí tính toán


Bảng 1 Giá trị ứng suất tại các điểm ở miền kéo
của dầm trong các trường hợp tạo ứng suất trước:

Ứng suất tại các điểm khi tạo ứng suất trước
với các giá trị lực căng F khác nhau (daN/cm
2
)
Điểm

F=0T F=10T F=20T
1 752.87 707.75 662.63
2 1445.49 1328.61 1211.73
3 1658.71 1540.16 1421.60

5. Nhận xét kết quả và kết luận
Như ta đã thấy khi tạo ứng suất trước trong dầm, ứng suất kéo của cửa van
nhỏ đi nhiều, đã cho thấy khả năng chịu lực của của van tăng lên đáng kể. Từ đó
có thể giảm tiết diện dầm chính, bảng so sánh ứng suất trong các trường hợp tạo
ứng suất trước cũng cho thấy khi gia tăng ứng suất trước trong dầm thì ứng suất
kéo trong dầm khi chịu tải nhỏ đi. Để có hiệu quả nhất thì giá trị lực căng trước sẽ
chỉ nên giới hạn tới giá trị nhất định.(ở đây chưa xét đến tổn hao ứng suất do
chùng ứng suất, do từ biến hoặc mỏi gây ra).
Tính toán dầm chính ứng suất trước của cửa van phẳng theo trạng thái giới hạn
1 bằng phần mềm SAP2000 cho ta xác định các giá trị ứng suất và chuyển vị (độ
võng) của dầm nhanh chóng, chính xác, mặt khác việc lựa chọn, điều chỉnh tiết
diện, hoặc lực căng ứng suất trước khá dễ dàng, từ đó tìm được tiết hợp lý của kết
cấu, nó cho phép tính chính xác được lực căng cáp tạo ứng suất trước để kết cấu
làm việc có hiệu quả nhất.
Việc áp dụng ứng suất trước cho các kết cấu cửa van của công trình thủy lợi
là hướng đi mới, hợp lý và cần được quan tâm tiếp tục nghiên cứu, phân tích với
sự trợ giúp của phần mềm chuyên dùng để áp dụng tốt vào thực tế. Mặt khác cần
chú ý về các yêu cầu công nghệ, khả năng thi công, bảo dưỡng công trình sau khi
chế tạo và đưa vào sử dụng.

TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Vũ Thành Hải, Trương Quốc Bình, Vũ Hoàng Hưng. Kết cấu thép-NXB Xây
dựng 2006
2. Kết cấu thép - công trình dân dụng và công nghiệp – Nhà xuất bản khoa học kỹ
thuật, Hà
Nội-2006
3. Design of metal structures. K. K Mukhanov – Mir Publishers. Moscow 1968
4. Prestressed Load-Bearing Metal Structures. E.Belenya, Mir Publicshers
Moscow 1977
5. Nguyễn Khánh Hùng, Phạm Thái Mạnh - Tính toán nội lực bằng SAP 2000
6. Thiết kế kết cấu thép - GS.TS Đoàn Định Kiến (Theo quy phạm Mỹ - NXBXD
2006)

Các ý kiến xin vui lòng gửi theo đia chỉ e-mail: hoăc gọi
điện thoại
Trương Quốc Bình (04)3 563 6456 / DĐ 090 344 2467- Xin cảm ơn.