Nghiên cứu trạng thái ứng suất và biến dạng của tháp cống dạng lắp nghép dự ứng lực

i

LỜI CÁM ƠN
Luận văn thạc sĩ:“ Nghiên cứu trạng thái ứng suất và biến dạng kết cấu tháp van
cống bê tông cốt thép lắp ghép dự ứng lực” đã được tác giả hoàn thành đảm bảo đầy
đủ các yêu cầu trong đề cương được phê duyệt.
Tác giả xin chân thành cảm ơn PGS.TS. Nguyễn Cảnh Thái, TS. Hồ Sỹ Tâm,
Trường Đại học Thuỷ Lợi Hà Nội đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ để tác giả hoàn
thành luận văn, và các thầy cô trường Đại học Thuỷ Lợi Hà Nội, các thầy cô trong
khoa Công trình đã tận tụy giảng dạy tác giả trong suốt quá trình học tại trường.
Tác giả cũng xin gửi cám ơn chân thành đến lãnh đạo cùng đồng nghiệp trong bộ
môn Thủy công đã hết sức tạo điều kiện và giúp đỡ tận tình trong suốt thời gian học và
hoàn thành luận văn.
Tuy đã có những cố gắng song do thời gian có hạn, trình độ bản thân còn hạn
chế, luận văn này không thể tránh khỏi những tồn tại, tác giả mong nhận được những ý
kiến đóng góp và trao đổi chân thành của các thầy cô giáo, các anh chị em và bạn bè
đồng nghiệp. Tác giả rất mong muốn những vấn đề còn tồn tại sẽ được tác giả phát
triển ở mức độ nghiên cứu sâu hơn góp phần ứng dụng những kiến thức khoa học vào
phục vụ đời sống sản xuất.
Xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày

tháng năm 2015.

Học viên

Trần Duy Quân


ii

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đề tài luận văn của tôi hoàn toàn do tôi làm, những kết quả
nghiên cứu tính toán trung thực. Trong quá trình làm luận văn tôi có tham khảo các tài
liệu liên quan nhằm khẳng định thêm sự tin cậy và tính cấp thiết của đề tài. Tôi không
sao chép từ bất kỳ nguồn nào khác, nếu vi phạm tôi xin chịu trách nhiệm trước Khoa
và Nhà trường.
Hà Nội, Ngày tháng năm 2015
Tác giả luận văn

Trần Duy Quân


iii

MỤC LỤC
LỜI CÁM ƠN..............................................................................................................i
LỜI CAM ĐOAN.......................................................................................................ii
MỤC LỤC..................................................................................................................iii
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH.................................................................................v
DANH MỤC BẢNG BIỂU........................................................................................ix
MỞ ĐẦU...................................................................................................................... 1
I. Tính cấp thiết của đề tài:..........................................................................................1
II. Mục đích của đề tài:................................................................................................1
III. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu:..........................................................1
IV. Kết quả dự kiến đạt được:.....................................................................................2
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH SỬA CHỮA, NÂNG CẤP CỐNG
DƯỚI ĐẬP................................................................................................................... 3
1.1. Khái quát hiện trạng hồ chứa và các sự cố thường gặp ở cống...........................3
1.2. Tình hình sửa chữa nâng cấp cống lấy nước ở Việt Nam....................................7
1.3. Những khó khăn trong việc thi công sửa chữa, xây mới tháp van cống..............8

1.4. Đề xuất giải pháp kết cấu bê tông cốt thép lắp ghép ứng suất trước trong thiết
kế, thi công tháp van cống..........................................................................................11
1.5. Kết luận chương 1...............................................................................................12
CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP
ỨNG SUẤT TRƯỚC.................................................................................................13
2.1. Khái quát về kết cấu bê tông cốt thép ứng suất trước và tình hình nghiên cứu,
ứng dụng kết cấu bê tông cốt thép ứng suất trước ở Việt Nam.................................13
2.2. Vật liệu và thiết bị dùng cho bê tông cốt thép ứng suất trước...........................20
2.3. Phương pháp tính toán kết cấu bê tông cốt thép ứng suất trước........................23
2.4. Phương pháp phần tử hữu hạn trong phân tích ứng suất biến dạng kết cấu bê
tông cốt thép................................................................................................................31
2.5. Lựa chọn phần mềm tính toán............................................................................33
2.6. Các bước mô hình và giải bài toán ứng suất biến dạng bằng phần mềm
ANSYS........................................................................................................................35
2.7. Các dạng phần tử sử dụng để mô phỏng kết cấu tháp van trong ANSYS.........36


iv
2.8. Kết luận chương 2...............................................................................................42
CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG KẾT
CẤU THÁP VAN LẮP GHÉP ỨNG SUẤT TRƯỚC.............................................43
3.1. Tổng quan...........................................................................................................43
3.2. Vị trí bố trí tháp van cống...................................................................................43
3.3. Các giả thiết trong nghiên cứu............................................................................44
3.4. Xây dựng các trường hợp tính toán....................................................................46
3.5. Phân tích các hình thức kết cấu tháp van ứng suất trước...................................47
3.6. Xác định mối quan hệ giữa chiều dày tháp cống và lực kéo cáp yêu cầu.........50
3.7. Kết luận chương 3...............................................................................................62
CHƯƠNG 4: ÁP DỤNG KẾT CẤU THÁP VAN CỐNG LẮP GHÉP ỨNG
SUẤT TRƯỚC CHO CỐNG VĨNH TRINH – QUẢNG NAM..............................63

4.1. Giới thiệu về cụm công trình đầu mối hồ chứa nước Vĩnh Trinh.....................63
4.2. Lựa chọn các thông số, hình thức kết cấu tháp cống ........................................70
4.3. Xác định lực kéo cáp yêu cầu.............................................................................72
4.4. Lựa chọn thông số kỹ thuật của cáp ứng suất trước...........................................73
4.5. Kiểm tra độ bền và ổn định kết cấu tháp van lắp ghép ứng suất trước..............75
4.6. Mô hình tính toán bằng phần mềm ANSYS và phân tích kết quả tính toán.....77
4.7. Kết luận chương 4.............................................................................................101
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ................................................................................103
1. Những kết quả đạt được.......................................................................................103
2. Tồn tại và kiến nghị.............................................................................................104
TÀI LIỆU THAM KHẢO......................................................................................105
PHỤ LỤC TÍNH TOÁN.........................................................................................107


v

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH
Hình 1.1: Tháp van hồ Triệu Thượng - Quảng Trị...................................................4
Hình 1.2: Tháp van hồ Khe Làng - Nghệ An.............................................................4
Hình 1.3: Tháp van hồ Chấn Sơn – Quảng Nam......................................................4
Hình

1.4:

Khớp

nối

2,

3

sau

tháp

van

cống

hồ

chứa

nước

Bản Muông – Sơn La bị hỏng.....................................................................................5
Hình 1.5: Cống dẫn dòng hồ Ia Krel 2 bị gãy............................................................5
Hình 1.6: Hiện tượng xâm thực bêtông bên trong cống La Ngà tại vị trí tháp van 6
Hình 1.7: Hiện tượng rò nước qua khe van cống La Ngà.........................................6
Hình 1.8: Thân cống hồ Suối Hai bị xâm thực, dột...................................................6
Hình 1.9: Hiện tượng thấm dọc theo mang cống gây vỡ đập Z20-Hà Tĩnh.............7
Hình 1.1: Thi công cống hồ Đồng Sương – Hà Tây...................................................8
Hình 1.1: Biểu đồ biến thiên mực nước hồ và lưu lượng nước yêu cầu tại đầu mối
hồ chứa nước La Ngà – Quảng Trị, năm 2014.........................................................10
Hình 1.2: Biểu đồ biến thiên mực nước hồ và lưu lượng nước yêu cầu tại đầu mối
hồ chứa nước La Ngà – Quảng Trị, tháng 8-9, năm 2014.......................................11
Hình 1.1: Đập trọng lực ứng suất trước...................................................................17
Hình 1.1: Một số cấu kiện bê tông cốt thép ứng suất trước....................................19
Hình 1.1: Sơ đồ ứng suất trên tiết diện thẳng góc giai đoạn I................................24

Hình 1.2: Sơ đồ ứng suất trên tiết diện thẳng góc giai đoạn II...............................25
Hình 1.3: Sơ đồ ứng suất trên tiết diện thẳng góc giai đoạn III.............................26
Hình 1.1: Sơ đồ ứng suất dùng để tính toán theo phương pháp ứng suất cho phép
..................................................................................................................................... 28
Hình 1.2: Sơ đồ ứng suất dùng để tính toán theo phương pháp giai đoạn phá hoại
..................................................................................................................................... 29
Hình 1.1: Giao diện hiển thị phần mềm ANSYS.....................................................35
Hình 1.1: Phần tử LINK8..........................................................................................37
Hình 1.1: Phần tử SOLID45......................................................................................38
Hình 2.1: Sơ đồ các thành phần ứng suất của phần tử SOLID45..........................39
Hình 1.1: Sơ đồ hình dạng hình học, hệ tọa độ phần tử SHELL63........................41
Hình 1.2: Ứng suất đầu ra phần tử SHELL63.........................................................41


vi
Hình 1.1: Sơ đồ bố trí tháp van cống ngầm dưới thân đập.....................................44
Hình 1.1: Sơ đồ hình học tháp van lắp ghép ứng suất trước..................................46
Hình 1.2: Mặt bằng tháp van lắp ghép ứng suất trước...........................................46
Hình 1.1: Sơ đồ nối tiếp các đoạn tháp van cống dạng phẳng................................48
Hình 1.2: Sơ đồ bố trí nối tiếp các đoạn tháp van dạng khớp âm dương mố vuông
..................................................................................................................................... 48
Hình 1.3: Sơ đồ bố trí nối tiếp các đoạn tháp van dạng khớp âm dương mố vát..49
Hình 1.4: Sơ đồ bố trí nối tiếp các đoạn tháp van dạng khớp âm dương trên toàn
cạnh............................................................................................................................. 50
Hình 1.1: Sơ đồ bố trí tháp van cống ở vị trí II.......................................................51
Hình 1.2: Sơ đồ tính toán khi tháp van cống ở vị trí II, TH1, 2, 3.........................51
Hình 1.3: Sơ đồ bố trí tháp van cống ở vị trí III......................................................51
Hình 1.4: Sơ đồ tính toán khi tháp van cống ở vị trí III, TH1, 2, 3........................52
Hình 1.5: Sơ đồ tính toán khi tháp van cống, TH4..................................................52
Hình 1.6: Các kích thước cơ bản của tháp van cống...............................................53

Hình 1.1: Biểu đồ quan hệ giữa Tyc – t, trường hợp B=2,0m x L=2,0m, tháp van
bố trí ở vị trí II...........................................................................................................59
Hình 2.1: Biểu đồ quan hệ giữa Tyc – t, trường hợp B=2,0m x L=2,0m, tháp van
bố trí ở vị trí III..........................................................................................................60
Hình 3.1: Biểu đồ quan hệ giữa Tyc – t, B=3,8m x L=4,0m, H = 25m, TH4..........61
Hình 1.1: Vị trí địa lý hồ chứa nước Vĩnh Trinh.....................................................63
Hình 1.1: Bong tróc trần cống, thấm qua thân cống...............................................64
Hình 1.2: Thấm qua thân cống.................................................................................65
Hình 1.1: Biểu đồ biến thiên mực nước hồ và lưu lượng nước yêu cầu tại đầu mối
hồ chứa nước Vĩnh Trinh – Quảng Nam, năm 2014...............................................69
Hình 1.2: Biểu đồ biến thiên mực nước hồ và lưu lượng nước yêu cầu tại đầu mối
hồ chứa nước Vĩnh Trinh – Quảng Nam, tháng 8,9 - năm 2014............................70
Hình 1.1: Các phần tử mặt PLANE42 để tạo khối các đoạn tháp van.................78
Hình 1.2: Mô hình phần tử một đoạn tháp van TH1..............................................78
Hình 1.3: Mô hình hình học tháp van TH1..............................................................79
Hình 1.4: Mô hình các phần tử tháp van TH1.........................................................79
Hình 1.5: Gán phần tử tiếp xúc và bó cáp ứng suất trước TH1.............................80


vii
Hình 1.6: Gán liên kết tai đáy tháp van và gia tốc trong trường TH1...................80
Hình 1.7: Gán các điều kiện biên tải trọng TH1......................................................81
Hình 1.8: Mô hình hình học tháp van TH2..............................................................81
Hình 1.9: Mô hình các phần tử tháp van TH2.........................................................82
Hình 1.10: Mô hình các điều kiện biên TH2............................................................82
Hình 1.11: Mô hình hình học tháp van TH3............................................................83
Hình 1.12: Mô hình các phần tử tháp van TH3.......................................................83
Hình 1.13: Mô hình các điều kiện biên TH3............................................................84
Hình 1.14: Mô hình phần tử mô tả vật liệu thép TH3.............................................84
Hình 1.1: Sơ đồ bố trí mặt cắt xuất kết quả.............................................................85

Hình 1.1: Phổ chuyển vị theo phương y (UY) tháp van cống, TH1........................86
Hình 1.2: Phổ chuyển vị theo phương y (UY) tháp van cống, TH2........................86
Hình 1.3: Phổ chuyển vị theo phương y (UY) tháp van cống, TH3........................87
Hình 1.1: Phổ ứng suất SY tháp van cống, TH1.....................................................87
Hình 1.2: Phổ ứng suất SY tháp van cống, TH2.....................................................88
Hình 1.3: Phổ ứng suất SY tháp van cống, TH3.....................................................88
Hình 1.1: Biểu đồ chuyển vị theo phương Y (UY) trên mặt cắt 1-1, TH1.............89
Hình 1.2: Biểu đồ chuyển vị theo phương Y (UY) trên mặt cắt 1-1, TH2.............89
Hình 1.3: Biểu đồ chuyển vị theo phương Y (UY) trên mặt cắt 1-1, TH3.............90
Hình 1.4: Biểu đồ ứng suất theo phương Y (SY) trên mặt cắt 1-1, TH1................90
Hình 1.5: Biểu đồ ứng suất theo phương Y (SY) trên mặt cắt 1-1, TH2................91
Hình 1.6: Biểu đồ ứng suất theo phương Y (SY) trên mặt cắt 1-1, TH3................91
Hình 1.1: Biểu đồ chuyển vị theo phương Y (UY) trên mặt cắt 2-2, TH1.............92
Hình 1.2: Biểu đồ chuyển vị theo phương Y (UY) trên mặt cắt 2-2, TH2.............92
Hình 1.3: Biểu đồ chuyển vị theo phương Y (UY) trên mặt cắt 2-2, TH3.............93
Hình 1.4: Biểu đồ ứng suất theo phương Y (SY) trên mặt cắt 2-2, TH1................93
Hình 1.5: Biểu đồ ứng suất theo phương Y (SY) trên mặt cắt 2-2, TH2................94
Hình 1.6: Biểu đồ ứng suất theo phương Y (SY) trên mặt cắt 2-2, TH3................94
Hình 1.1: Biểu đồ chuyển vị theo phương Y (UY) trên mặt cắt 3-3, TH1.............95
Hình 1.2: Biểu đồ chuyển vị theo phương Y (UY) trên mặt cắt 3-3, TH2.............95
Hình 1.3: Biểu đồ chuyển vị theo phương Y (UY) trên mặt cắt 3-3, TH3.............96
Hình 1.4: Biểu đồ ứng suất theo phương Y (SY) trên mặt cắt 3-3, TH1................96


viii
Hình 1.5: Biểu đồ ứng suất theo phương Y (SY) trên mặt cắt 3-3, TH2................97
Hình 1.6: Biểu đồ ứng suất theo phương Y (SY) trên mặt cắt 3-3, TH3................97
Hình 1.1: Biểu đồ chuyển vị theo phương Y (UY) trên mặt cắt 4-4, TH1.............98
Hình 1.2: Biểu đồ chuyển vị theo phương Y (UY) trên mặt cắt 4-4, TH3.............98
Hình 1.3: Biểu đồ ứng suất theo phương Y (SY) trên mặt cắt 4-4, TH1................99

Hình 1.4: Biểu đồ ứng suất theo phương Y (SY) trên mặt cắt 4-4, TH3................99


ix

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1: Bảng quy định sử dụng cấp độ bền với bê tông trong kết cấu ..............21
ứng suất trước............................................................................................................21
Bảng 1.1: Đặc tính của tao thép xoắn 7 sợi không vỏ bọc theo ASTM A416.........22
Bảng 1.1: Bảng tổng hợp các loại tổn hao ứng suất.................................................27
Bảng 1.2: Bảng độ lớn tổn hao ứng suất trước ước tính (%)..................................27
Bảng 1.2: Số liệu đầu vào của phần tử LINK8........................................................37
Bảng 1.3: Số liệu đầu ra của phần tử LINK8..........................................................37
Bảng 1.2: Số liệu đầu vào của phần tử SOLID45....................................................38
Bảng 1.3: Số liệu đầu ra của phần tử SOLID45......................................................39
Bảng 1.1: Bảng tổng hợp các trường hợp tính toán................................................47
Bảng 1.1: Bảng hệ số động đất..................................................................................55
Bảng 1.1: Bảng quan hệ giữa Tyc – t, trường hợp B=2,0m x L=2,0m, tháp van bố
trí ở vị trí II................................................................................................................58
Bảng 1.2: Bảng quan hệ giữa Tyc – t, trường hợp B=2,0m x L=2,0m, tháp van bố
trí ở vị trí III............................................................................................................... 59
Bảng 1.3: Bảng quan hệ giữa Tyc – t, B=3,8m x L=4,0m, H = 25m, TH4..............60
Bảng 1.1: Bảng thông số cơ bản hồ chứa nước Vĩnh Trinh....................................66
Bảng 1.1: Bảng tổng hợp thông số để chọn cáp thép...............................................74
Bảng 1.1: Kết quả kiểm tra ổn định và độ bền tháp van cống TH1.......................77


1

MỞ ĐẦU

I. Tính cấp thiết của đề tài:
Việt Nam hiện có 6648 hồ chứa đang đưa vào khai thác sử dụng [21], phần lớn
số đó được xây dựng từ trước những năm 60-80 của thế kỷ XX và thi công theo
phương pháp thủ công. Một số lượng lớn các hồ này qua thời gian làm việc đã xuống
cấp nghiêm trọng, có nhiều biểu hiện hư hỏng [22,23,24,25]. Trong số các biểu hiện
hư hỏng, một số lượng lớn các biểu hiện xuất hiện tại cống lấy nước nói chung và
tháp van cống lấy nước nói riêng, đòi hỏi phải sửa chữa, nâng cấp để đáp ứng yêu
cầu an toàn hiện tại. Một tỷ lệ lớn các cống này hoặc là đã xuống cấp nghiêm trọng,
hoặc có kích thước quá nhỏ không thể sửa chữa mà bắt buộc phải làm mới (ví dụ
như: công Vĩnh Trinh, cống Yên Đồng, cống Đồng Sương…). Tuy nhiên việc xây lại
cống mới đặc biệt là tháp van cống trong điều kiện phải đảm bảo an toàn về mặt
chống lũ và cấp nước thì gặp nhiều khó khăn: thời gian thi công ngắn trong khoảng
thời gian cuối mùa kiệt đến đầu mùa mưa để đảm bảo kéo dài thời gian cấp nước,
đắp đập vượt lũ và tích nước phục vụ tưới cho năm sau; phương pháp thi công truyền
thống đối với tháp cống là phân chia khoảnh đổ theo phương đứng, chờ cho khoảnh
đổ bê tông dưới đủ cường độ mới thi công khoảnh đổ bên trên làm thời gian thi công
kéo dài… Do đó, việc áp dụng giải pháp kết cấu đúc sẵn lắp ghép ứng suất trước cho
tháp cống sẽ giúp giảm thiểu thời gian thi công tháp cống, đáp ứng yêu cầu về tiến
độ thi công. Để giải pháp này được áp dụng trong thực tiễn cần rất nhiều nghiên cứu
liên quan. Và để từng bước hiện thực hóa ý tưởng này, tác giả chọn đề tài nghiên cứu
trạng thái ứng suất và biến dạng của tháp cống dạng lắp nghép dự ứng lực để giải
quyết trong nội dung luận văn này.
II. Mục đích của đề tài:
Trên cơ sở phân tích ứng suất và biến dạng của kết cấu tháp van cống bằng bê
tông cốt thép thi công lắp ghép ứng suất trước để tìm ra kích thước các mô đun tháp
cống, lực căng tạo ứng suất trước… hợp lý phục vụ cho việc thiết kế cũng như thi
công tháp van cống lấy nước.
III. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu:
Các mục đích của đề tài sẽ đạt được dựa trên các phương pháp nghiên cứu sau:
+ Phương pháp phân tích, thống kê;

+ Phương pháp nghiên cứu lý thuyết;


2
+ Phương pháp kế thừa: Áp dụng các công nghệ đã được dùng cho các lĩnh vực
xây dựng khác.
+ Phương pháp mô hình: Mô phỏng bằng phương pháp phần tử hữu hạn.
IV. Kết quả dự kiến đạt được:
+ Hiểu biết sâu thêm về trạng thái ứng suất và biến dạng của kết cấu tháp van
công bê tông cốt thép thi công theo phương pháp lắp ghép ứng suất trước;
+ Theo điều kiện chịu lực, xác định được kích thước mỗi mô đun thi công và lực
kéo căng cáp hợp lý;
+ Áp dụng tính toán cho một công trình cụ thể.


3

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH SỬA CHỮA, NÂNG CẤP
CỐNG DƯỚI ĐẬP
1.1. Khái quát hiện trạng hồ chứa và các sự cố thường gặp ở cống
1.1.1. Hiện trạng an toàn hồ chứa ở Việt Nam
Việt Nam là nước nông nghiệp có nhiều hồ chứa thủy lợi. Hiện cả nước có
khoảng 6.648 hồ chứa nước thủy lợi các loại [21] trong đó dung tích từ 10 triệu m 3 trở
lên có 103 hồ, dung tích từ 3 đến 10 triệu m 3 có 152 hồ, dung tích dưới 3 triệu m 3 có
6.393 hồ. Trong số khoảng 6648 hồ chứa này, phần lớn hồ chứa có đầu mối là đập
bằng vật liệu địa phương có công trình lấy nước dạng cống ngầm. Đa phần các hồ
chứa thủy lợi đã được xây dựng từ lâu, và đã xuất hiện biểu hiện hư hỏng xuống cấp.
Về thực trạng hồ chứa nước, các hồ dung tích trữ từ 10 triệu m 3 nước trở lên cơ
bản bảo đảm an toàn trong mùa mưa lũ năm 2012; 11 hồ có dung tích từ 3 đến 10 triệu
m3 nước đang bị hư hỏng cần được lưu ý; đáng quan tâm nhất là các hồ có dung tích

nhỏ hơn 3 triệu m3 nước, do số lượng công trình bị hư hỏng rất lớn, một số bị hư hỏng
nghiêm trọng và chủ đập không đủ năng lực quản lý (chủ đập là UBND xã). Các địa
phương có nhiều nhiều hồ chứa bị hư hỏng gồm Hòa bình, Yên Bái, Bắc Giang, Thanh
Hóa, Nghệ An, Hà Tĩnh, Đắc Lắc, Đắc Nông,..vv.
Nguyên nhân dẫn đến nguy cơ mất an toàn hồ chứa vừa và nhỏ thì có nhiều
nguyên nhân như: mô hình thủy văn dòng chảy (dòng chảy năm, dòng chảy lũ) không
còn phù hợp với tình hình hiện tại đặc biệt trong điều kiện biến đổi khí hậu và việc
chặt phá rừng đầu nguồn; các đập được xây dựng trong điều kiện khó khăn, phương
pháp thi công thủ công, trình độ thi công nhiều hạn chế dẫn đến chất lượng đập chưa
đảm bảo yêu cầu an toàn; trong quản lý vận hành thì hầu hết các hồ chứa vừa và nhỏ
do các hợp tác xã, ủy ban nhân dân xã không có các cán bộ có chuyên môn chuyên
ngành phù hợp chịu trách nhiệm quản lý, vận hành.
Trong số những nguyên nhân dẫn đến mất an toàn hồ chứa, thì có một số không
nhỏ các hồ bị mất an toàn do cống lấy nước xuống cấp. Ở Việt Nam đã có một số hồ
chứa bị vỡ hoặc nguy cơ vỡ do nhóm nguyên nhân này gây ra như: Hồ Ia Krel 2 gãy
cống dẫn dòng dẫn đến vỡ đập, hồ Suối Hai thân cống bị mục ảnh hưởng đến khả năng
làm việc và an toàn hồ, hồ Bản Muông hỏng khớp nối cống gây ra biến hình thấm đặc
biệt ảnh hưởng đến an toàn đập…


4
1.1.2. Các sự cố thường gặp ở cống
Cống ngầm là loại công trình lấy nước nằm sâu dưới thân đê, thân đập vật liệu
địa phương, chịu tải trọng phía trên lớn. Cống luôn nằm dưới đường bão hòa nên chịu
áp lực nước xung quanh. Chiều dài cống lớn nên để thuận tiện cho thi công và đề
phòng hiện tượng lún không đều, dọc chiều dài cống thường chia thành các đoạn nối
với nhau bằng khớp nối. Cống nằm dưới thân đập nên sự cố của cống thường gây nên
sự cố ở thân đập làm ảnh hưởng đến an toàn hồ chứa. Một số sự cố thường gặp ở cống
gây ảnh hưởng đến an toàn hồ đập gồm:
+ Tháp cống bị nghiêng do tháp cống đặt trên nền không thuần nhất, hoặc biện

pháp xử lý nền không tốt, khảo sát chưa kỹ dẫn đến lún không đều; hoặc tháp cống
thiết kế ban đầu thô sơ, không đáp ứng yêu cầu làm việc và an toàn trong điều kiện
hiện tại như tháp van cống hồ Triệu Thượng – Quảng Trị [24] (hình 1.1), Khe Làng –
Nghệ An [22] (hình 1.2), Chấn Sơn – Quảng Nam [23] (hình 1.3)…

Hình 1.1: Tháp van hồ Triệu Thượng Quảng Trị

Hình 1.2: Tháp van hồ Khe Làng - Nghệ
An

Hình 1.3: Tháp van hồ Chấn Sơn – Quảng Nam


5
+ Hỏng các khớp nối do nhiều nguyên nhân khác nhau như: địa chất nền xấu,
biện pháp xử lý không phù hợp gây lún không đều; việc phân đoạn cống và bố trí khớp
nối không hợp lý hoặc khớp nối thiết kế không phù hợp, thi công không đảm bảo chất
lượng…Năm 2013 hồ Bản Muông ở Sơn La bị hỏng khớp nối gây xói rỗng thân đập
làm mái thượng lưu đập bị sụt lún [25].

Hình 1.4: Khớp nối 2, 3 sau tháp van cống hồ chứa nước
Bản Muông – Sơn La bị hỏng
+ Thân cống bị gãy do nền lún không đều hoặc bê tông thân cống kém chất
lượng hoặc bê tông bị thoái hóa… Năm 2014 hồ Ia Krel 2 bị gãy cống dẫn dòng dẫn
đến vỡ đập.

Hình 1.5: Cống dẫn dòng hồ Ia Krel 2 bị gãy
+ Thân cống bị xói, xâm thực do xảy ra hiện tượng khí thực mà hệ thống thông
khí không đủ để phá vỡ chân không hoặc thi công kém chất lượng như cống lấy nước
hồ chứa nước La Ngà – Quảng Trị [24] như hình 1.6, 1.7. Hiện tượng này xảy ra ở

6
nhiều cống đặc biệt là các cống có chế độ chảy là chảy không áp, xảy ra nước nhảy
trong cống.

Hình 1.6: Hiện tượng xâm thực bêtông bên

Hình 1.7: Hiện tượng rò nước qua khe

trong cống La Ngà tại vị trí tháp van
van cống La Ngà
+ Thân cống bị dột, mục do chiều dày, mác bê tông không đủ điều kiện chống
thấm xuyên thủng, điều kiện chống thấm không đảm bảo. Hiện tượng này xảy ra ở
nhiều hồ chứa, đặc biệt là các hồ đã xây dựng từ lâu chất lượng bê tông thân cống
giảm. Cống của hồ Vĩnh Trinh – Quảng Nam, Suối Hai – Sơn Tây [19] (hình 1.8), Bản
Muông – Sơn La… xảy ra hiện tượng này.

Hình 1.8: Thân cống hồ Suối Hai bị xâm thực, dột
+ Xuất hiện dòng thấm chảy dọc theo mang cống gây hiện tượng xói tiếp xúc tại
phần tiếp giáp giữa đất và thân cống nguyên nhân do thi công chống thấm khống đảm
bảo như sự cố ở đập Z20 – Hà Tĩnh [19], không có tầng lọc đặt cuối cống để đảm bảo
an toàn…


7

Hình 1.9: Hiện tượng thấm dọc theo mang cống gây vỡ đập Z20-Hà Tĩnh
1.2. Tình hình sửa chữa nâng cấp cống lấy nước ở Việt Nam
Ở Việt Nam, một số lượng lớn các hồ chứa thủy lợi được xây dựng từ những năm

50-80 của thế kỷ XX nhằm phục vụ phát triển nông nghiệp, xây dựng xã hội chủ
nghĩa. Để phục vụ lấy nước, dưới thân đập bố trí cống ngầm với hình thức chủ yếu là
cống ngầm chảy không áp, có tháp van phía thượng lưu để điều tiết lưu lượng, kết cấu
cống là cống hộp bằng bê tông cốt thép. Sau thời gian dài làm việc do nhiều nguyên
nhân khác nhau nhiều cống xảy ra các hiện tượng như thân cống bị mục, dột chất
lượng giảm; bê tông thân cống bị xâm thực đặc biệt tại gần vị trí xảy ra nước nhảy;
cống bị rò rỉ mất nước…Để khắc phục sự xuống cấp của các đầu mối hồ chứa, nâng
cao khả năng phục vụ cũng như đảm bảo sự làm việc an toàn của công trình, các dự án
sửa chữa, nâng cấp công trình được tiến hành. Trong các nội dung sửa chữa nâng cấp
thì rất nhiều các dự án có hạng mục công việc là sửa chữa cống cũ hoặc xây dựng cống
mới thay thế cống cũ. Một số dự án sửa chữa nâng cấp trong đó có sửa chữa cống như:
+ Sửa chữa cống Vĩnh Trinh – Quảng Nam, năm 2007: sửa chữa, nâng cấp cống
Đông và cống Tây thân cống bị xâm thực mạnh, thay đổi từ cống hộp bằng bê tông cốt
thép chảy không áp về cống thép bọc bê tông cốt thép tròn chảy có áp [14];
+ Sửa chữa cống hồ Đồng Sương – Hà Tây, năm 2008 (hình 1.9): sửa chữa cống
bị hư hỏng, thay đổi từ cống hộp bằng bê tông cốt thép chảy không áp về cống thép
bọc bê tông cốt thép tròn chảy có áp [13];


8

Hình 1.1: Thi công cống hồ Đồng Sương – Hà Tây
+ Sửa chữa cống Đăk Uy – Kon Tum, năm 2012: Sửa chữa cống bị hư hỏng, thay
đổi từ cống hộp bằng bê tông cốt thép chảy không áp về cống thép bọc bê tông cốt
thép tròn chảy có áp [12];
+ Sửa chữa cống Bản Muông – Sơn La, năm 2014: Sửa chữa, làm lại khớp nối
cống, xử lý bê tông thân cống bị xâm thực, mục [25]…;
1.3. Những khó khăn trong việc thi công sửa chữa, xây mới tháp van cống
Hiện nay, việc thi công sửa chữa, nâng cấp cũng như xây mới cống ngầm trong
ngành thủy lợi thường được tiến hành theo công nghệ thi công bê tông cốt thép truyền

thống. Quá trình thi công nhìn chung gồm 4 công tác chính:
+ Công tác cốt thép: Tiến hành lắp dựng cốt thép theo đúng thiết kế
+ Công tác ván khuôn: Tiến hành lắp dựng ván khuôn để đổ bê tông theo đúng
hình dạng thiết kế
+ Công tác bê tông: Tiến hành trộn bê tông, vận chuyển, đổ và đầm bê tông vào
các bộ phận của cống
+ Công tác bảo dưỡng và dưỡng hộ bê tông: Tiến hành các biện pháp bảo dưỡng
bê tông để bê tông có thể phát triển cường độ bình thường, không phát sinh các khe
nứt do chênh lệch nhiệt độ và độ ẩm.
Đối với thi công thân cống, toàn bộ quá trình thi công được thực hiện dưới thấp,
mặt bằng để bố trí thi công thân cống rộng hơn nhiều so với thi công tháp cống.
Những đặc điểm này cho phép chúng ta thực hiện các công tác ván khuôn, cốt thép, bê
tông, dưỡng hộ có thể tiến hành dễ dàng hơn so với các khoảnh đổ trên cao. Bên cạnh


9
đó, do mặt bằng thi công rộng, cũng cho phép bố trí các khoảnh đổ một cách hợp lý,
để nâng cao cường độ thi công, rút ngắn thời gian thi công. Ngoài ra, trong trường hợp
sửa chữa nâng cấp bằng giải pháp bố trí thi công từ hạ lưu cống lên có thể tận dụng
một phần thân đập phía thượng lưu chưa đào móng để bắt đầu thi công sớm. Như vậy,
về mặt kỹ thuật thi công, tiến độ và cường độ thi công thân cống theo phương pháp thi
công truyền thống dễ dàng được đáp ứng nếu bố trí thi công hợp lý.
Khi thi công tháp van cống ngầm, người ta thường chia tháp van cống ngầm
thành các khoảnh đổ theo phương đứng. Với mỗi khoảnh đổ, sau khi tiến hành tất cả
các công tác cốt thép, ván khuôn, bê tông, dưỡng hộ chờ cho khoảnh đổ bên dưới đủ
cường độ mới tiến hành các công tác tiếp theo để thi công các khoảnh đổ phía trên.
Việc thi công theo trình tự như trên, khiến thời gian thi công tháp van cống ngầm kéo
dài, đặc biệt là các cống ngầm ngầm lớn, tháp van cao.
Tuy nhiên, đối với các dự án sửa chữa và nâng cấp cống, không những phải đảm
bảo các yêu cầu kỹ thuật thi công, lại vừa phải đảm bảo các yêu cầu về mặt khai thác,

cấp nước cho các ngành dùng nước, yêu cầu đắp đập vượt lũ. Bên cạnh đó để đảm bảo
chất lượng bê tông, mọi công tác phải tiến hành trong điều kiện khô ráo, không bị ngập
nước. Theo đó, thời gian để thi công sửa chữa cống thường phải tiến hành trong thời
gian rất ngắn của mùa kiệt và khi nhu cầu dùng nước phía hạ du hạn chế và mực nước
trong hồ thấp để khối lượng các công trình tạm, công trình phục vụ thi công như đê
quai ngăn dòng giảm và ít ảnh hưởng đến các hộ dùng nước. Quá trình thi công sửa
chữa cống phải hoàn thành trước mùa lũ để có thể tích nước cho các ngành dùng nước
trong mùa thiếu nước và đảm bảo an toàn chống lũ. Ngoài ra, nếu quá trình thi công
kéo dài sang mùa mưa, công tác đắp đất bù lại vào thân đập phía trên cống sẽ gặp
nhiều khó khăn do đất thường xuyên bị bão hòa nước.
Hình 1.10 thể hiện sự biến thiên mực nước hồ và lưu lượng nước yêu cầu tại đầu
mối để đảm bảo nhu cầu dùng nước bình quân tháng của hồ chứa nước La Ngà –
huyện Vĩnh Linh tỉnh Quảng Trị [27]. Hiện nay cống lấy nước của hồ chứa nước La
Ngà cũng đang bị xâm thực, rò rỉ nước nghiêm trọng đang đề xuất dự án hoành triệt
cống cũ, xây mới cống. Từ biểu đồ hình 1.10 ta thấy, về mặt cấp nước, quá trình phá
bỏ cống cũ, thi công cống mới nên được tiến hành vào khoảng từ đầu tháng 9 đến
tháng 12, vì trong khoảng thời gian này không có nhu cầu cấp nước tại đầu mối. Do
vậy, khi ngừng cấp nước do thi công sẽ không gây ảnh hưởng đến tình hình sản xuất,


10
đời sống, xã hội khu vực hạ du. Tuy nhiên, để giảm khối lượng công trình thi công như
đê quây, công tác bơm nước hố móng, cũng như phòng lũ và tích nước vào hồ khi mùa
mưa đến, quá trình thi công nên được tiến hành vào cuối mùa kiệt, tức là trong khoảng
từ tháng 8 đến tháng 9. Khi thi công trong thời gian này cao trình đê quai chỉ cần cao
khoảng +12m, kết hợp công tác bơm nước hố móng là có thể thi công cống được.
Ngoài ra, quá trình thi công nếu càng về sau sẽ càng bất lợi, vì khi bắt đầu mùa
mưa Bên cạnh đó, khoảng thời gian để tích nước vào hồ sẽ ngắn lại, làm hồ có nguy cơ
không tích đủ dung tích để tưới cho năm sau.

Hình 1.1: Biểu đồ biến thiên mực nước hồ và lưu lượng nước yêu cầu tại đầu mối hồ
chứa nước La Ngà – Quảng Trị, năm 2014.
Hình 1.11 thể hiện sự biến thiên mực nước hồ và lưu lượng nước yêu cầu tại đầu
mối để đảm bảo nhu cầu dùng nước bình quân tháng của hồ chứa nước La Ngà –
huyện Vĩnh Linh tỉnh Quảng Trị. Mực nước hồ thấp nhất vào ngày 25/8 sau đó tăng
dần, lưu lượng nước yêu cầu qua cống bằng không từ ngày 26/8. Từ những phân tích
trên, đối với hồ La Ngà, khoảng thời gian để thi công hợp lý nhất nên bắt đầu từ ngày
25/8 hoặc trước một số ngày và hoàn thành trước trung tuần tháng 9. Quá trình thi
công xong càng sớm càng dễ dàng đảm bảo các yêu cầu về phòng chống lũ và tích
nước vào hồ.


11

Hình 1.2: Biểu đồ biến thiên mực nước hồ và lưu lượng nước yêu cầu tại đầu mối hồ
chứa nước La Ngà – Quảng Trị, tháng 8-9, năm 2014.
Ngoài cống của hồ chứa nước La Ngà, yêu cầu về mặt thời gian thi công sửa
chữa, nâng cấp xây mới đối với những cống khác hoàn toàn tương tự. Như vậy, để
đảm bảo ít ảnh hưởng đến tất cả các yêu cầu về mặt cấp nước, tích nước vào hồ, chống
lũ và thi công trước mùa mưa, thời gian thi công sửa chữa, xây mới cống đòi hỏi phải
hoàn thành trong khoảng 10-20 ngày cuối mùa kiệt, đầu mùa mưa. Tùy quy mô của
cống, thời gian thi công có thể ít hơn hoặc nhiều hơn con số trên một chút. Tuy nhiên,
theo công nghệ thi công bê tông cốt thép, việc thi công cống trong khoảng thời gian
ngắn như vậy dường như không khả thi. Do đó cần một giải pháp công nghệ khác để
rút ngắn thời gian thi công sửa chữa cống ngầm và đặc biệt là tháp van cống ngầm.
1.4. Đề xuất giải pháp kết cấu bê tông cốt thép lắp ghép ứng suất trước trong
thiết kế, thi công tháp van cống
Để rút ngắn thời gian thi công sửa chữa cống ngầm, đặc biệt là tháp van cống
ngầm, tác giả nghiên cứu giải pháp kết cấu bê tông cốt lắp ghép ứng suất trước. Về
mặt lý thuyết, giải pháp kết cấu bê tông cốt thép lắp ghép ứng suất trước căng sau có

thể áp dụng để thiết kế, thi công cả thân cống và tháp cống. Tuy nhiên, do thi công
thân cống dễ dàng hơn nhiều so với tháp cống và yêu cầu về cường độ thi công thân


12
cống dễ dàng đáp ứng được bằng việc bố trí mặt bằng, các khoảnh đổ thi công, trình tự
thi công một cách hợp lý. Mặt khác, giải pháp kết cấu bê tông cốt thép ứng suất trước
lắp ghép cũng có một số yêu cầu về kỹ thuật thi công, vật liệu thi công, trình độ nhân
công thi công cao hơn phương pháp thi công truyền thống.
Từ những lý do trên, thân cống vẫn chọn hình thức và kết cấu theo phương pháp
thi công bê tông cốt thép truyền thống. Tháp van cống áp dụng giải pháp giải pháp kết
cấu bê tông cốt thép ứng suất trước lắp ghép. Theo giải pháp này, toàn bộ tháp van sẽ
được chia thành các mô đun và được đúc trong nhà máy hoặc tại bãi đúc ở hiện
trường. Sau khi các công tác hố móng hoàn thành, các mô đun sẽ được vận chuyển từ
nhà máy đến công trường để lắp dựng. Quá trình lắp dựng hoàn thành sẽ tiến hành kéo
cáp tạo ứng suất trước trong kết cấu tháp van lắp ghép.
Quá trình thiết kế và thi công tháp van theo kết cấu lắp ghép nhất thiết phải kết
hợp với giải pháp kết cấu ứng suất trước căng sau trên hiện trường. Nguyên nhân là do
tháp van cống là kết cấu theo phương đứng nhưng khi làm việc lại chịu các lực bất lợi
gây mất ổn định theo phương ngang. Kết cấu tháp van lắp ghép sẽ cho phép giảm thiểu
thời gian thi công trên công trường, qua đó khắc phục được những khó khăn do thi
công tháp van theo phương pháp truyền thống như đã đề cập ở trên. Tuy nhiên, tháp
van là kết cấu chịu lực theo phương ngang, ngoài trọng lượng bản thân giúp duy trì ổn
định đoạn tháp van cống, mỗi đoạn tháp van cống còn chịu các lực xô ngang gây mất
ổn định. Vì vậy, chúng ta phải sủa dụng ứng suất trước trong kết cấu tháp van để giữ
ổn định từng đoạn tháp van cống cũng như tổng thể tháp van.
1.5. Kết luận chương 1
Trong tình hình các đập hồ chứa vừa và nhỏ, được xây dựng và đưa vào sử dụng
được khoảng 30 – 50 năm đang xuống cấp. Nhu cầu sửa chữa, nâng cấp hồ đập nói
chung và cống ngầm nói riêng là rất lớn. Thi công sửa chữa, nâng cấp, xây mới các

cống ngầm dưới thân đập, đặc biệt là tháp van cống ngầm theo phương pháp thi công
bê tông cốt thép truyền thống gặp một số khó khăn. Do vậy nếu giải pháp kết cấu bê
tông cốt thép ứng suất trước lắp ghép áp dụng cho tháp van cống ngầm thành công sẽ
là một phương án để giải quyết những tồn tại trong việc thi công tháp van cống theo
công nghệ thi công bê tông cốt thép truyền thống với những dự án sửa chữa, nâng cấp
cống ngầm dưới thân đập


13

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT
THÉP ỨNG SUẤT TRƯỚC
2.1. Khái quát về kết cấu bê tông cốt thép ứng suất trước và tình hình nghiên
cứu, ứng dụng kết cấu bê tông cốt thép ứng suất trước ở Việt Nam
2.1.1. Khái quát về kết cấu bê tông cốt thép ứng suất trước
Bê tông là vật liệu có tính giòn, cường độ chịu kéo kém hơn nhiều so với cường
độ chịu nén. Để khắc phục nhược điểm này của vật liệu bê tông người ta đưa những
thanh thép có cường độ chịu kéo tốt hơn vào vùng chịu kéo trong khối bê tông. Từ đó
hình thành nên vật liệu bê tông cốt thép. Tuy nhiên với vật liệu bê tông cốt thép, các
vết nứt trong khối bê tông vẫn xuất hiện khá sớm ngay cả khi ứng suất kéo còn khá
nhỏ. Các vết nứt này làm giảm chiều cao làm việc, mô đun chống uốn của kết cấu.
Ngoài ra các vết nứt xuất hiện sẽ làm cho cốt thép trong khối bê tông tăng nguy cơ bị
xâm thực, bị gỉ, đặc biệt trong những môi trường có tính xâm thực, dần dần làm cho
kết cấu bị phá hoại. Trong các công trình thủy lợi, thì ngoài điều kiện chịu lực của kết
cấu, người thiết kế còn phải đặt ra vấn đề chiều dày của kết cấu phải lớn hơn một giá
trị giới hạn để Gradient của dòng thấm không xuyên thủng kết cấu; vết nứt nếu có xuất
hiện cũng phải khống chế độ mở nhất định để cốt thép trong khối bê tông không bị
hoen gỉ, xâm thực.
Để khắc phục nhược điểm của kết cấu bê tông cốt thép thông thường, trước khi
đưa kết cấu bê tông cốt thép vào sử dụng, người ta tạo ra một ứng suất nén ban đầu

trong kết cấu để sau khi chịu tải trọng, kết cấu này sẽ làm triệt tiêu một phần hoặc toàn
bộ ứng suất kéo trong kết cấu, nhờ đó loại trừ khả năng xuất hiện vết nứt. Kết cấu này
được gọi là kết cấu bê tông ứng suất trước hay bê tông dự ứng lực, bê tông tiền chế.
Ngày nay, kết cấu bê tông ứng suất trước ngày càng được ứng dụng nhiều trên thế giới
và ở Việt Nam vì kết cấu này có một số ưu điểm so với kết cấu bê tông cốt thép thông
thường [10]:
- Kết cấu bê tông cốt thép ứng suất trước có khả năng chống uốn, độ cứng lớn
hơn so với kết cấu bê tông cốt thép thông thường cùng kích thước, vì thế có thể hạn
chế được độ võng, cho phép chế tạo các kết cấu có nhịp lớn hơn;
- Kết cấu bê tông cốt thép ứng suất trước sử dụng bê tông cường độ cao và cốt
thép cường độ cao nên có thể làm cấu kiện mảnh và nhẹ hơn so với cấu kiện bê tông


14
cốt thép thông thường. Do việc giảm trọng lượng bản thân sẽ giảm bớt tải trọng thiết
kế và chi phí móng.
- Ứng suất nén ban đầu trong kết cấu bê tông cốt thép ứng suất trước làm cho sau
khi đưa vào sử dụng ứng suất nén chính trong kết cấu được giảm nhỏ, nhờ đó mà khả
năng chịu cắt cao hơn, hạn chế được sự hình thành và phát triển vết nứt so với kết cấu
bê tông cốt thép thông thường;
- Do kết cấu bê tông cốt thép ứng suất trước hạn chế được nứt nên khả năng
chống thấm, chống xâm thực, tuổi thọ cao hơn;
- Công trình sử dụng kết cấu bê tông cốt thép ứng suất trước có khả năng chịu
lửa, độ bền mỏi cao;
- Kết cấu bê tông cốt thép ứng suất trước đặc biệt là những cấu kiện được sản
xuất trong nhà mày thì việc kiểm soát về chất lượng dễ dàng hơn.
Bên cạnh những ưu điểm trên kết cấu bê tông cốt thép ứng suất trước cũng tồn tại
một số hạn chế:
- Để thi công kết cấu bê tông cốt thép ứng suất trước đòi hỏi phải có các vật liệu
thiết bị chuyên dụng như neo, ống gen, vữa bơm… (với kết cấu bê tông ứng suất trước

căng sau) hay bộ neo công cụ, bệ căng…(với kết cấu bê tông ứng suất trước căng trước)
- Nhân công thi công kết cấu bê tông cốt thép ứng suất trước đòi hỏi có trình độ
cao hơn so vơi công nhân thi công thông thường.
- Công tác kiểm soát chất lượng đối với kết cấu bê tông cốt thép ứng suất trước
đòi hỏi cao hơn kết cấu thông thường. Ngoài ra việc tạo ứng suất ban đầu có thể làm
cấu kiện bê tông cốt thép ứng suất trước bị phá hoại cục bộ tại một số vùng.
Hiện nay có một số cách phân loại kết cấu bê tông cốt thép ứng suất trước sau:
Theo cách thời điểm tạo ra ứng suất trước, kết cấu bê tông cốt thép ứng suất trước
phân thành hai loại là bê tông ứng suất trước căng trước và bê tông ứng suất trước căng
sau. Để tạo ứng suất ban đầu trong kết cấu bê tông ứng suất trước căng trước, người ta
tiến hành căng cốt thép trước khi đổ bê tông. Sau khi bê tông đạt đến cường độ thích
hợp thì buông cốt thép căng, do tính đàn hồi của cốt thép cốt thép sẽ co lại và truyền lực
nén lên kết cấu bê tông xung quanh tạo ra ứng suất nén ban đầu trong kết cấu. Phương
pháp tạo ứng suất trước căng trước này đòi hỏi khi thi công phải có các bệ đỡ để neo
tạm các thiết bị căng. Vì thế mà phương pháp căng trước thường được áp dụng để sản
xuất các cấu kiện bê tông ứng suất trước căng trước đúc sẵn trong nhà máy.


15
Ngược lại với kết cấu bê tông cốt thép ứng suất trước căng trước, kết cấu bê tông
cốt thép ứng suất trước căng sau được tạo ra bằng cách căng cốt thép sau khi bê tông
đã đạt đến cường độ nhất định rồi tiến hành neo giữ hai đầu cốt thép căng. Phương
pháp thi công ứng suất trước căng sau được áp dụng nhiều trên công trường, hình thức
thi công lắp ghép.
Theo khả năng bám dính giữa bê tông và cốt thép căng, kết cấu bê tông ứng suất
trước được phân thành hai loại là có bám dính và không bám dính. Theo phương pháp
tạo ra kết cấu bê tông ứng suất trước căng trước thì kết cấu này thuộc loại có bám
dính. Với kết cấu bê tông ứng suất trước căng sau, thép căng được đặt trong các ống
chôn sẵn hoặc các lỗ tạo sẵn trong khối bê tông. Vì vậy kết cấu bê tông cốt thép căng
sau có thể thuộc loại có bám dính hoặc không bám dính. Kết cấu căng sau có bám

dính, cốt thép căng sau khi được neo giữ, vữa bê tông được bơm vào trong ống, lỗ tạo
sẵn. Vữa bê tông bơm vào vừa có tác dụng bảo vệ cốt thép căng vừa góp phần dính kết
giữa bê tông và cốt thép căng. Ngược lại bê tông cốt thép ứng suất trước căng sau
không bám dính có thể được bố trí thành từng bó trong các ống và được liên kết với
khối bê tông tại vị trí neo giữ, cốt thép căng có thể trượt tự do trong các ống chôn sẵn.
Theo khả năng triệt tiêu ứng suất kéo trong các giai đoạn chịu lực, các giai đoạn
làm việc của kết cấu mà kết cấu bê tông cốt thép ứng suất trước chia thành hai loại là
kết cấu ứng suất trước toàn phần và kết cấu ứng suất trước một phần. Trong kết cấu bê
tông cốt thép ứng suất trước một phần, trong một số giai đoạn làm việc, trong kết cấu
vẫn còn ứng suất kéo. Do đó để kết cấu có thể chụ được ứng suất kéo này thì ngoài
thép căng còn cần có thép không căng để chịu lực.
Ngoài ra, theo cách bố trí cốt thép căng và cách căng cốt thép để tạo ứng suất ban
đầu, kết cấu bê tông ứng suất trước còn chia thành kết cấu ứng suất trước căng trong
tiết diện và kết cấu ứng suất trước căng ngoài tiết diện.
2.1.2. Lịch sử nghiên cứu và ứng dụng kết cấu bê tông ứng suất trước trên thế giới
Việc áp dụng nguyên lý ứng suất trước vào kết cấu bê tông bắt đầu từ thập niên
80 của thế kỉ thứ XIX. Năm 1886, P.H.Jackson (Mỹ) đã nhận được chứng nhận bản
quyền về việc sử dụng cốt thép căng để làm vòm bê tông. Năm 1888, Dorhing(Đức)
nhận được chứng nhận bản quyền về việc đặt thêm sợi thép căng vào bê tông để đúc
thành tấm và dầm. Đó là những bước đi đầu tiên của việc sử dụng nguyên lý ứng suất
trước chế tạo cấu kiện bê tông đúc sẵn.[10]


16
Khái niệm dùng ứng suất trước để triệt tiêu ứng suất kéo trong bê tông do ngoại
tải gây ra là do J.Mandl (Áo) đề suất đầu tiên vào năm 1896. Năm 1906, M.Koenen
(Đức) tiến hành thí nghiệm đổ bê tông với cốt thép có giới hạn bền 160MPa, quan sát
thí nghiệm ông nhận thấy hiện tượng nén trước ban đầu bị mất đi do bê tông co ngót.
Năm 1909 C.R.Steiner(Mỹ) đề xuất việc kéo căng 2 lần để giảm bớt tổn hao ứng
suất trước và đã nhận được chứng nhận bản quyền.

Năm 1923,F.Emperger (Áo) đã sang tạo ra phương pháp quấn dây thép căng để
làm ống bê tông chịu áp lực. Dây thép căng sử dụng loại có cường độ từ 160 MPa đến
800MPa.
Công nghệ ứng suất căng sau không bám dính được R.H.Dill (Mỹ) đề suất vào
năm 1925. Ông sử dụng cốt thép cường độ cao có phủ ngoài chất chống dính, sau khi
bê tông đóng rắn thì tiến hành kéo căng và dùng êcu chốt cố định ở hai đầu. Sau đó
vào năm 1927, R.Farber (Mỹ) ) nhận được chứng nhận bản quyền về phương pháp ứng
suất trước có cốt thép căng có thể trượt trong bê tông. Lúc đó, phương pháp chống
bám dính giữa bê tông và cốt thép căng là phủ lên bề mặt cốt thép một lớp bột đá hoặc
là đặt cốt thép căng vào trong ống cứng.
Trong thời kỳ đầu lịch sử phát triển của kết cấu bê tông ứng suất trước, do thiếu
sự hiểu biết về tính năng của bê tông và vật liệu cốt thép trong quá trình chịu tải, nên
ứng suất trước mà những phương pháp nói trên tạo ra vẫn rất nhỏ,hiệu quả không rõ
ràng phạm vi ứng dụng còn hạn chế.
Giai đoạn đua kết cấu bê tông ứng suất trước vào ứng dụng thực tế không thể
tách rời sự đóng góp của kỹ sư người pháp F.Freyssient. Trên cơ sở nghiên cứu tính
năng của bê tông và vật liệu cốt thép cũng như tổng kết kinh nghiệm của những người
đi trước, ông đã nghĩ tới tổn hao ứng suất trước do bê tông co ngót và từ biến. Năm
1928 F.Freyssinet chi ra rằng bê tông ứng suất trước phải sử dụng thép cường độ cao
và bê tông cường độ cao. Đây là một sự đột phá về lý thuyết kết cấu bê tông ứng suất
trước. Từ đó, việc nghiên cứu bê tông ứng suất trước đi vào giai đoạn nghiên cứu tính
chất của vật liệu.
Trong giai đoạn này vẫn chưa giải quyết được vấn đề công nghệ sản xuất kết cấu
bê tông ứng suất trước.
Năm 1938, E.hoyer người Đức đã nghiên cứu thành công phương pháp căng
trước dựa vào sự bám dính giữa dây thép nhỏ cường độ cao (đường kính 0,5-2mm)
và bê tông chứ không phải dựa vào sự truyền lực ở đầu neo. Trên cơ sở kết quả