Nghiên cứu kết cấu và công nghệ chế tạo cầu máng xi măng lưới thép ứng suất trước nhịp lớn (tt)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT
TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

PHẠM CAO TUYẾN

NGHIÊN CỨU KẾT CẤU VÀ CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO
CẦU MÁNG XI MĂNG LƯỚI THÉP
ỨNG SUẤT TRƯỚC NHỊP LỚN

Chuyên ngành : Kỹ thuật xây dựng công trình thủy
Mã số

: 62.58.02.02

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI, NĂM 2017


Công trình được hoàn thành tại Trường Đại học Thủy Lợi

Người hướng dẫn khoa học 1: PGS.TS. Vũ Hoàng Hưng
Người hướng dẫn khoa học 2: PGS.TS. Trần Mạnh Tuân

Phản biện 1: GS.TS. Phạm Ngọc Khánh – Hội Thủy lợi Việt Nam
Phản biện 2: TS. Lê Đình Thắng – Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam
Phản biện 3: GS.TS. Vũ Thanh Te – Trường Đại học Thủy Lợi

Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án họp tại Trường Đại học
Thủy Lợi vào lúc 8 giờ 30 phút ngày 28 tháng 09 năm 2017

Có thể tìm hiểu Luận án tại: - Thư viện Quốc Gia
- Thư viện Trường Đại học Thủy lợi Hà Nội


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Kết cấu xi măng lưới thép (XMLT) ra đời cách đây trên 150 năm nhưng đã bị
lãng quên trong gần 100 năm sau đó do hạn chế về công nghệ chế tạo lưới thép.
Kết cấu XMLT bắt đầu được khôi phục lại vào những năm đầu của thập kỷ 40
của thế kỷ trước và được coi là một lĩnh vực nghiên cứu khoa học vật liệu mới.
Các tài liệu kỹ thuật XMLT bắt đầu xuất hiện và không ngừng gia tăng. Tuy
nhiên các nghiên cứu về XMLT của các nước đều ít ứng dụng vào lĩnh vực
kênh máng, cầu máng XMLT trong công trình thủy lợi (CTTL).
Ở Việt Nam những nghiên cứu về lý thuyết và công nghệ chế tạo XMLT trong
lĩnh vực thủy lợi phát triển mạnh vào những năm 1990. Bao gồm các đề tài
nghiên cứu về tính toán thiết kế, công nghệ chế tạo kênh máng và CM-XMLT
nhịp ngắn, nhịp lớn... Tiếp đến là giáo trình, tài liệu tính toán XMLT cũng được
biên soạn. Các tiêu chuẩn, quy trình về hướng dẫn tính toán thiết kế Cầu máng
vỏ mỏng XMLT cũng được ban hành lần lượt các năm 2006 và 2012.
Tuy nhiên đến nay việc tính toán thiết kế và thi công CM-XMLT tại Việt Nam
vẫn còn nhiều hạn chế, CM-XMLT vẫn chỉ được sử dụng ở loại nhịp ngắn với
chiều dài nhịp không vượt quá 8m, thông dụng vẫn là loại nhịp có chiều dài
6m, đồng thời đường kính máng XMLT (tiết diện chữ U) không vượt quá 1,2m
nhưng phổ biến cũng chỉ ở giới hạn đường kính từ (0,6÷1,0)m.
Để có thể tận dụng hết khả năng chịu lực của cấu kiện XMLT, đồng thời đáp
ứng được yêu cầu của thực tế ngày càng cao đối với cầu máng nhịp lớn… đòi
hỏi phải đi sâu nghiên cứu hình thức kết cấu của CM-XMLT nhịp lớn. Việc lựa
chọn đề tài Luận án “Nghiên cứu kết cấu và công nghệ chế tạo cầu máng xi
măng lưới thép ứng suất trước nhịp lớn” có cả ý nghĩa khoa học và thực tiễn,

nếu thành công sẽ đem lại hiệu quả kinh tế cao trong thiết kế và thi công cầu
máng nhịp lớn trong các công trình dẫn nước.
2. Mục tiêu nghiên cứu
Nghiên cứu trạng thái ứng suất và biến dạng cầu máng xi măng lưới thép ứng
suất trước (CM-XMLT-ƯST) nhịp lớn và đề xuất công nghệ chế tạo CMXMLT phù hợp.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của Luận án là kết cấu và công nghệ chế tạo CMXMLT-ƯST nhịp lớn và phạm vi nghiên cứu tập trung cho thân máng mặt cắt
chữ U.
4. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu
Luận án tiếp cận cả lý thuyết và thực nghiệm hiện trường trong đó sử dụng các
phương pháp nghiên cứu phổ biến ở trong nước và trên thế giới như:
- Phương pháp tổng hợp, phân tích và kế thừa những kết quả nghiên cứu đã có.
1


- Phương pháp lý thuyết kết hợp thực nghiệm trên máy tính.
- Phương pháp thực nghiệm tại hiện trường.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
5.1. Ý nghĩa khoa học
Làm rõ về quy luật ứng suất và biến dạng của CM-XMLT thường và CMXMLT-ƯST nhịp lớn.
Làm rõ được ảnh hưởng của tỷ số giữa chiều dài và chiều cao của tiết diện cầu
máng L/H với độ võng theo phương vuông góc với trục máng và ứng suất pháp
ở đáy máng theo phương dọc tính theo lý thuyết dầm và lý thuyết vỏ.
Xác định được lượng tổn hao ƯST từ thực nghiệm.
5.2. Ý nghĩa thực tiễn
Các kết quả nghiên cứu của luận án có thể áp dụng trong thiết kế và chế tạo cầu
máng thi công thủ công cho các công trình dẫn nước ở Việt Nam.
6. Cấu trúc của Luận án
Luận án ngoài phần Mở đầu và Kết kuận, 38 tài liệu tham khảo, 06 tài liệu tác
giả đã công bố và 04 Phụ lục, nội dung chính của Luận án được trình bày trong

04 Chương bao gồm 120 trang, 72 hình vẽ và 40 bảng biểu.
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CM-XMLT-ƯST NHỊP LỚN
1.1
Tổng quan về CM-XMLT
1.1.1 Khái quát chung
9
1
8
7
3

5

4

2
10
6
Hình 1.1. Sơ đồ kết cấu cầu máng
1. Cửa vào; 2. Mố biên trọng lực; 3. Thân máng; 4. Trụ đỡ khung kép; 5. Trụ đỡ
khung đơn; 6. Móng trụ đỡ; 7. Khe co giãn; 8. Cửa ra; 9. Kênh; 10. Mặt đất tự nhiên

CM-XMLT gồm các bộ phận chính: cửa vào, cửa ra, thân máng, trụ đỡ (Hình
1.1). Việc bố trí và thiết kế cửa vào, cửa ra, tính toán thuỷ lực trong máng, tính
toán dòng chảy tại cửa vào cửa ra, các biện pháp chống thấm, chống xói lở,
tránh lắng đọng bùn cát… trong luận án này sẽ không đề cập đến. Luận án chủ
yếu đi sâu vào các phần nghiên cứu kết cấu thân máng XMLT.

2

1.1.2 Các hình dạng kết cấu CM-XMLT
1.1.2.1 Các hình dạng kết cấu thân máng
Thân máng XMLT có hình dạng vỏ trụ mỏng, mặt cắt ngang của thân máng có
thể là hình chữ nhật, hình thang, hình chữ U, hình parabol… Chọn hình thức
mặt cắt thân máng phải dựa vào tính toán thủy lực, vật liệu làm cầu máng,
phương pháp thi công, hình thức kết cấu trụ đỡ, đoạn nối tiếp cửa vào, cửa ra.
Hình thức mặt cắt thân máng thường dùng là hình chữ nhật, hình thang và hình
chữ U. Luận án này đi sâu nghiên cứu cho thân máng XMLT có dạng chữ U.
1.1.2.2 Thân máng có mặt cắt ngang hình chữ U
Hình dạng máng chữ U thường dùng hiện nay có đáy là nửa hình tròn, có thêm
hai thành bên thẳng đứng (hình 1.4b). Máng chữ U được sử dụng nhiều vì nó
có các ưu điểm: trạng thái thủy lực tốt, độ cứng theo phương dọc lớn, dễ thi
công. Để tăng độ cứng theo phương ngang và phương dọc, thân máng thường
được gia cường bằng các sườn dọc (tai máng), bằng các sườn ngang (đai máng)
và các thanh giằng ngang (hình 1.4a).
a)

L(m)

b)
a

so

so

c
t

do

so

to

do

Ro

R

t

to

so

bg

R1

f
R

R1

H

f

H

Ro

a

Do
hg

a

Do

b

a

Hình 1.2. Hình dạng kết cấu thân máng XMLT chữ U
1.1.3 Phương pháp tính toán CM-XMLT
1.1.3.1 Tải trọng và tổ hợp tải trọng
Tải trọng tác dụng lên cầu máng chủ yếu có: Trọng lượng bản thân; Áp lực
nước; Tải trọng người qua lại; Áp lực gió; Lực ma sát ở gối đỡ; Áp lực thủy
động. Các tải trọng khác như động đất, tải trọng cẩu lắp, lực va chạm của vật
nổi... thì tùy trường hợp cụ thể mà xét.
Tổ hợp tải trọng: Phân tích nội lực và tính toán cốt thép thân máng XMLT
được tiến hành với các tổ hợp tải trọng cơ bản (trọng lượng bản thân máng + tải
trọng người qua lại + trọng lượng nước ứng với độ sâu mực nước thiết kế) và
kiểm tra với tổ hợp tải trọng đặc biệt (trọng lượng bản thân máng + tải trọng
3

người qua lại + trọng lượng nước ứng với độ sâu mực nước kiểm tra + tải trọng
gió).
1.1.3.2 Phân tích nội lực kết cấu thân máng XMLT
Thân máng là một kết cấu vỏ mỏng không gian, thường được gia cường bằng
các sườn dọc, sườn ngang và thanh giằng, do đó việc phân tích nội lực thân
máng trên cơ sở các phương trình vi phân cơ bản của lý thuyết vỏ mỏng không
gian để tìm lời giải chính xác thì gần như không thể thực hiện được, mà chỉ có
thể dùng các phương pháp số để tìm lời giải gần đúng, như phương pháp sai
phân hữu hạn, phương pháp PTHH.
Đối với các cầu máng lớn và trung bình thì thiết kế đòi hỏi nội lực có độ chính
xác cao, cần phân tích nội lực thân máng theo bài toán vỏ mỏng không gian.
Đối với cầu máng nhỏ có thể dùng phương pháp gần đúng để phân tích nội lực
thân máng, một trong các phương pháp hiện nay thường dùng là thay bài toán
tính vỏ mỏng không gian bằng hai bài toán phẳng riêng biệt theo phương dọc
và phương ngang máng, được gọi là phương pháp tính theo “lý thuyết dầm”.
Theo các tài liệu hướng dẫn tính toán CM-XMLT, phương pháp tính toán máng
theo lý thuyết dầm cho lời giải tương đối chính xác khi tỷ số giữa chiều dài
nhịp máng và bề rộng tiết diện máng L/Do ≥ 10, còn khi L/Do < 10 mà vẫn tính
theo lý thuyết dầm thì cần tăng thêm thép chịu lực theo phương dọc máng.
1.2
Tổng quan về CM-XMLT nhịp lớn
1.2.1 Khái quát về CM-XMLT nhịp lớn
Hiện nay CM-XMLT vẫn phổ biến ở loại chiều dài nhịp đơn không vượt quá
8m, thông dụng vẫn là nhịp có chiều dài 6m, đồng thời đường kính lòng máng
XMLT cũng chỉ dừng ở giới hạn Do = (1,0÷1,2)m.
Hệ thống kênh dẫn nước của các CTTL ngày càng gặp phải các loại địa hình
phức tạp, bị chia cắt nhiều nên phải vượt qua nhiều sông, suối, thung lũng. Với
các cầu máng có chiều dài nhịp L ≤ 6m (được gọi là nhịp ngắn), chi phí xây
dựng cầu máng sẽ cao do tốn rất nhiều mố trụ cầu. Việc sử dụng kết cấu cầu

máng XMLT nhịp lớn (chiều dài nhịp L > 6m) cho các công trình dẫn nước
chắc chắn sẽ đem lại hiệu quả kinh tế cao.
1.2.2 Tính toán CM-XMLT nhịp lớn
Tính toán nội lực và bố trí thép cho CM-XMLT nhịp lớn cũng như tính toán
cho thân máng XMLT nhịp ngắn, tùy theo yêu cầu có thể sử dụng lý thuyết
dầm hay lý thuyết vỏ mỏng không gian để tính. Trong các nghiên cứu trước đây
của tác giả cho CM-XMLT nhịp lớn đã rút ra được một số nhận xét: Với CMXMLT mặt cắt chữ U, kết cấu nhịp đơn có L = (12÷20)m thì vật liệu XMLT
thông thường vẫn đảm bảo khả năng chịu lực. Tuy nhiên không nên sử dụng
kết cấu máng XMLT thông thường khi chiều dài nhịp lớn hơn 12m vì biến
dạng của thân máng sẽ vượt quá biến dạng cho phép. Nên sử dụng kết cấu
4


máng XMLT có bố trí thép ƯST nhằm giảm độ võng của đáy máng và tăng khả
năng chịu lực cho thân máng.
1.3
Tổng quan về CM-XMLT-ƯST trước nhịp lớn
1.3.1 Khái quát về CM-XMLT-ƯST nhịp lớn
CM-XMLT-ƯST khác CM-XMLT thông thường ở chỗ trước khi chịu tác dụng
của ngoại lực, cầu máng đã được nén trước. Lực nén trước này làm giảm một
phần hay toàn bộ ứng suất kéo do ngoại lực sinh ra, do đó làm tăng khả năng
chống nứt theo phương dọc và tạo nên độ vồng trước, làm giảm được độ võng
tổng cộng của cầu máng khi khai thác.
1.3.2 Phương pháp tạo ứng suất trước
Để tạo ƯST trong các kết cấu BTCT nói chung hay XMLT nói riêng, cốt thép
được kéo căng sau đó neo vào cấu kiện, do cốt thép có xu hướng phục hồi co
lại làm cho cấu kiện chịu nén. Căn cứ vào cốt thép căng trước hay sau có thể
phân thành hai loại: phương pháp căng trước và phương pháp căng sau.
1.3.3 Các vấn đề tính toán CM-XMLT-ƯST
1.3.3.1 Ứng suất kéo trước giới hạn

Ứng suất kéo trước lớn nhất cho phép trong cốt thép ứng suất trước (thép ƯST)
được gọi là ứng suất giới hạn và được ký hiệu là σk . Ứng suất này phụ thuộc
vào loại thép và phương pháp tạo ƯST. Ứng suất kéo trước giới hạn σk càng
lớn thì ứng suất nén trước càng lớn, khả năng chống nứt của thân máng càng
cao. Tuy nhiên lực kéo giới hạn nếu lấy quá cao có thể gây mất an toàn.
1.3.3.2 Tổn hao ứng suất trước
Ứng suất kéo trước tạo ra trong thép ƯST, sau khi neo ƯST bị giảm, lượng
giảm này được gọi là tổn thất hay tổn hao ƯST, do nhiều nguyên nhân như do
biến dạng của thiết bị neo, do ma sát giữa lỗ luồn thép và thép ƯST, do chênh
lệch nhiệt độ giữa thép ƯST và giá căng, do co ngót và từ biến của vữa xi
măng, do chùng thép ƯST, do thân máng bị ép co. Các tổn hao này được xác
định theo các công thức trong các tiêu chuẩn thiết kế của mỗi nước, các công
thức này đều dựa trên độ giảm biến dạng tương đối ∆L/L của thép ƯST do các
nguyên nhân nói trên, nên các tổn hao này tính theo tiêu chuẩn thiết kế của các
nước cũng không khác nhau nhiều.
1.3.4 Phân tích ứng suất trong CM-XMLT-ƯST
Do thân máng XMLT có dạng vỏ trụ và chiều dày của thân máng rất mỏng, nên
chỉ thích hợp với thép ƯST đặt thẳng và dùng phương pháp căng sau. Với
phương pháp căng sau dễ dàng khống chế được lực kéo căng thép ƯST trong
từng giai đoạn, nên cũng thuận tiện trong việc khống chế biến dạng và nứt, vấn
đề được xem là nhạy cảm với kết cấu XMLT vỏ mỏng.
Trong các giáo trình tính toán “Kết cấu bê tông cốt thép ứng suất trước” đều
trình bày dưới dạng bài toán dầm, cho nên với CM-XMLT vỏ mỏng có nhịp
5


lớn, phân tích nội lực theo phương dọc dùng lý thuyết dầm có nhiều thuận lợi,
nhưng theo phương ngang gặp nhiều khó khăn vì không biết nội lực để tính
toán và bố trí thép cho cầu máng theo phương ngang. Do cầu máng vỏ mỏng
chỉ tạo ƯST theo phương dọc máng, nên tính toán và cấu tạo CM-XMLT-ƯST

theo phương ngang giống như CM-XMLT thông thường.
Tuy nhiên cũng giống như tính toán CM-XMLT nhịp lớn, nếu phân tích trạng
thái ứng suất và biến dạng của cầu máng trong các giai đoạn chịu lực theo lý
thuyết dầm sẽ không phản ánh đúng trạng thái chịu lực thực của cầu máng, mà
cần phân tích cầu máng theo bài toán vỏ không gian bằng phương PTHH.
1.4
Tổng quan về công nghệ chế tạo CM-XMLT
CM-XMLT nhịp ngắn hiện nay được chế tạo bằng hai phương pháp: phương
pháp rung trên bàn rung và phương pháp phun vữa. Cả 2 phương pháp này đều
có những ưu nhược điểm gần như đối lập nhau. Do đặc thù của CM-XMLT
nhịp lớn là thường thi công vượt sông suối nên yêu cầu phải có một công nghệ
thi công thích hợp. Đó chính là phương pháp phải có ưu điểm của cả phương
pháp rung trên bàn rung và ưu điểm của phương pháp phun vữa.
Qua nhiều năm nghiên cứu và thi công, tác giả đã áp dụng tương đối thành
công công nghệ rung áp ván khuôn để chế tạo cầu máng XMLT. Thực tiễn cho
thấy phương pháp rung áp ván khuôn cho chất lượng máng XMLT tốt và đồng
đều như phương pháp rung trên bàn rung, nhưng lại có thể thi công cơ động ở
tại hiện trường và thích hợp cho tất cả các loại chiều dài nhịp máng như
phương pháp phun vữa. Tuy nhiên việc bố trí hệ rung trên ván khuôn chỉ mang
tính chất kinh nghiệm, vì vậy cần phải tiếp tục nghiên cứu cơ sở khoa học kết
hợp thực nghiệm để nâng cao hiệu quả ứng dụng công nghệ này.
1.5
Tổng quan về tình hình nghiên cứu CM-XMLT-ƯST
1.5.1 Tình hình chung
Có thể nói Nga là một trong những nước đầu tiên ứng dụng XMLT làm cầu
máng dẫn nước trong CTTL. Ngoài ra một số nước như Anh, Ba Lan, Trung
Quốc, Việt Nam, Cu Ba, Nhật Bản, Brazil, Hoa Kỳ, Eduador... cũng sử dụng
XMLT làm kênh máng, cầu máng dẫn nước trong CTTL. Đối với CM-XMLTƯST mặc dù đã được Shugaev (Nga) đề cập đến trong nghiên cứu từ những
năm 60 của thế kỷ trước nhưng thực tiễn ứng dụng gần như chưa có.
Tại Việt Nam kết cấu XMLT nói chung cũng chỉ mới được nghiên cứu áp dụng

vào cuối những năm 80. Bước sang thập kỷ 90 và cho đến nay chủ yếu kết cấu
XMLT của ngành thủy lợi là tiếp tục được nghiên cứu và ứng dụng ngày càng
phát triển mạnh mẽ. Đi đầu trong lĩnh vực này phải kể đến các nhà khoa học
thuộc Bộ môn Kết cấu công trình – Trường Đại học Thủy Lợi đã nghiên cứu
ứng dụng và triển khai thành công nhiều công trình trên khắp cả nước.

6


1.5.2 Những nghiên cứu về CM-XMLT
Các nghiên cứu gần đây về CM-XMLT chủ yếu được xuất phát từ Trung Quốc
và Việt Nam. Các nghiên cứu tập trung về vật liệu và công nghệ chế tạo có thể
kể đến như HE Liang (2012), WU Tao (2012), YU Li (2014), Vũ Quốc Vương
(2012), Trương Quốc Bình (2014).
1.5.3 Những nghiên cứu về CM-BTCT-ƯST
Đối với CM-BTCT-ƯST được sử dụng tương đối rộng rãi trên thế giới đặc biệt
là Trung Quốc. Tuy nhiên tại Việt Nam chưa có một cầu máng nào sử dụng
công nghệ ƯST mặc dù cũng đã có những nghiên cứu và đề xuất công nghệ
này trong các Luận văn và thuyết minh tính toán lựa chọn phương án.
Các nghiên cứu về CM-BTCT-ƯST ở nước ngoài đa phần từ Trung Quốc, nơi
ứng dụng CM-BTCT-ƯST tương đối nhiều trong các dự án chuyển nước giữa
các lưu vực sông. Các nghiên cứu điển hình có Bai Xin-li (2001), Fu Zhi-yuan
(2004), Ji Ri-chen (2006), Zhao Shunbo (2006), Cheng wa (2008), Feng
Guang-wei (2013), Ma Wen-liang (2012), Gao ping (2013). Những nghiên cứu
về CM-XMLT và CM-BTCT-ƯST ở trên chủ yếu tập trung vào tính toán mô
phỏng máy tính và so sánh với kết quả thí nghiệm trên mô hình thực từ đó nhận
xét về khả năng chịu lực của cầu máng.
1.6
Những vấn đề cần nghiên cứu đặt ra đối với Luận án
Từ các kết quả nghiên cứu về CM-XMLT, CM-BTCT-ƯST đã nêu ở trên và

thực tiễn, luận án đã đặt ra ba vấn đề cần nghiên cứu đối với CM-XMLT-ƯST:
(1) Phân tích lựa chọn mô hình tính toán, lập trình tính toán, thực nghiệm trên
máy tính nghiên cứu về quy luật ứng suất-biến dạng CM-XMLT-ƯST nhịp lớn
(2) Thực nghiệm tại hiện trường nghiên cứu về quy luật ứng suất-biến dạng
CM-XMLT-ƯST nhịp lớn
(3) Kết hợp thực nghiệm trên máy tính và hiện trường nghiên cứu về công nghệ
chế tạo CM-XMLT-ƯST bằng phương pháp rung áp ván khuôn
1.7
Kết luận Chương 1
Trải qua hơn 20 năm phát triển, CM-XMLT nhịp ngắn (L ≤ 6m) của Việt Nam
đã có những tiến bộ, những kinh nghiệm nhất định về cả lĩnh vực nghiên cứu
và ứng dụng. Trước nhu cầu thực tế cần thiết phải nghiên cứu và phát triển kết
cấu CM-XMLT nhịp lớn, tác giả đã đặt ra vấn đề nghiên cứu tính toán, thực
nghiệm và đề xuất kết cấu CM-XMLT-ƯST nhịp lớn. Đây là một loại kết cấu
mới kết hợp giữa XMLT và thép ƯST, được dùng riêng cho CM-XMLT nhịp
lớn.

7


CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT VÀ BIẾN
DẠNG CM-XMLT-ƯST NHỊP LỚN
2.1
Đặt vấn đề
Việc xác định trạng thái ứng suất và chuyển vị của CM-XMLT theo bài toán vỏ
mỏng không gian bằng phương pháp phần tử hữu hạn là hợp lý nhất do phản
ánh được tương đối chính xác sự làm việc thực tế của cầu máng. Tính toán theo
lý thuyết dầm đơn giản về mặt lý thuyết, đưa về bài toán làm việc một chiều
nên chỉ cho trạng thái ứng suất và biến dạng theo một phương, ứng suất pháp
theo phương dọc máng và chuyển vị đứng thẳng góc với trục máng.

ANSYS là một phần mềm phân tích phần tử hữu hạn thông dụng, có khả năng
thiết kế theo tham số dựa trên ngôn ngữ lập trình FORTRAN để xây dựng bài
toán mô phỏng kết cấu cần thay đổi các giá trị như hình học, tải trọng (áp lực
nước, lực căng cáp, tải trọng người đi), vật liệu. Dựa trên phần mềm này, tác
giả đã tiến hành thiết kế mô phỏng kết cấu CM-XMLT-ƯST theo các tham số
định trước, từ đó làm cơ sở cho việc nghiên cứu sự thay đổi trạng thái ứng suất
– biến dạng kết cấu cầu máng khi cho các tham số thiết kế thay đổi.
2.2
Lập trình tính toán ứng suất và biến dạng CM-XMLT-ƯST nhịp
lớn bằng ngôn ngữ lập trình tham số APDL trong ANSYS
2.2.1 Mô hình hóa kết cấu CM-XMLT-ƯST
Mô hình hóa kết cấu thân máng XMLT-ƯST mặt cắt chữ U theo bài toán
không gian bằng phương pháp phần tử hữu hạn sử dụng 2 loại phần tử:
Phần tử khối 20 điểm nút SOLID187 mô phỏng kết cấu thân máng.
Phần tử cáp 2 điểm nút LINK8 mô phỏng cáp ƯST.
Hai đầu máng được kê lên gối đỡ như dầm đơn, một đầu ràng buộc các chuyển
vị thẳng, một đầu ràng buộc chuyển vị thẳng theo phương đứng và phương
ngang máng.
Cầu máng vỏ mỏng XMLT-ƯST mặt cắt chữ U thép ƯST chỉ có thể bố trí
thẳng ở đáy máng, nên đáy máng cần có chiều dày lớn hơn thành máng, Còn
máng có nhịp ngắn và trung bình không dùng ƯST, nên đáy máng chỉ cần dày
hơn thành máng chút ít hoặc có chiều dày bằng chiều dày thành máng, trong
trường hợp này đáy máng có dạng nửa trụ tròn để dàng cho việc tạo ván khuôn.
2.2.2 Lập trình tính kết cấu cầu máng bằng ngôn ngữ APDL
Chương trình tính kết cấu CM-XMLT-UST được xây dựng trên cơ sở phương
pháp phần tử hữu hạn, dùng ngôn ngữ lập trình tham số APDL (ANSYS
Parametric Design Language) trong ANSYS là một chương trình chuyên dụng
phân tích kết cấu cầu máng tiết diện chữ U dưới dạng file macro, để giải bài
toán kết cấu CM-XMLT-ƯST có kích thước tùy ý và trường hợp đặc biệt của
nó là CM-XMLT thường (không ƯST).

8


Mô hình hóa kết cấu CM-XMLT-ƯST theo APDL, toàn bộ các dữ liệu ban đầu
nhập vào chương trình được thực hiện qua cửa sổ giao diện với người sử dụng.
2.2.3 Kiểm tra độ tin cậy của chương trình
Để có cơ sở đánh giá độ tin cậy của “Chương trình tính CM-XMLT-UST” tiết
diện chữ U bằng ngôn ngữ lập trình APDL, tác giả đã kiểm tra ứng suất và biến
dạng của CM-XMLT nhịp lớn theo lý thuyết dầm với bài toán CM-XMLTƯST có kích thước tiết diện ngang cho ở hình 2.12a và CM-XMLT thường
(không ƯST) với mặt cắt ngang tiết diện dầm có đáy là nửa trụ tròn, có chiều
dày bằng chiều dày thành máng (to = t = 0,04m) như ở hình 2.12b.
Kết quả tính toán chuyển vị và ứng suất tại mặt cắt giữa nhịp của CM-XMLTƯST theo bài toán không gian bằng “Chương trình CM-XMLT-UST” và theo
bài toán dầm bằng giải tích do các thành phần tải trọng tác dụng lên cầu máng
sinh ra được tổng hợp trong bảng 2.5 và bảng 2.6.
Từ bảng 2.5 và bảng 2.6 cho thấy kết quả tính toán chuyển vị và ứng suất tại
giữa nhịp máng do các thành phần tải trọng theo lý thuyết vỏ bằng “Chương
trình CM-XMLT-UST” (viết tắt là ANSYS) và theo lý thuyết dầm bằng giải
tích (viết tắt là giải tích) có sự chênh nhau nhưng không đáng kể. Sự chênh lệch
này là do khi tính toán theo lý thuyết dầm đã bỏ qua ảnh hưởng của thanh giằng
và các sườn ngang nên giá trị chuyển vị và ứng suất đều lớn hơn so với tính
toán theo bài toán không gian bằng ANSYS, điều này hoàn toàn phù hợp với
thực tế. Đối với CM-XMLT thường cũng cho kết quả tương tự. Vậy “Chương
trình CM-XMLT-UST” do tác giả lập có đủ độ tin cậy.
b)

20

120

20

20

80

yo

80

yo

20
12,5

120

20

20

12,5

a)

O

O

xo

10

20

64

60

xo

50

Hình 2.1. Mặt cắt ngang CM-XMLT-ƯST và CM-XMLT thường
Bảng 2.1. Chuyển vị UY tại mặt cắt giữa nhịp của CM-XMLT-ƯST
Tính toán
Giải tích
ANSYS

Chuyển vị đứng UY (mm) ở đáy máng do
TLBT
ALN
ND*
LNT*
TH1
-0,6414
-1,3798
-0,09045
2,2891
0,17745
-0,72537

-1,42132
-0,09372
2,385
0,14459

Bảng 2.2. Ứng suất SZ tại mặt cắt giữa nhịp của CM-XMLT-ƯST
9


Tính toán
Giải tích
ANSYS

Ứng suất theo phương dọc SZ (kN/m2) ở đáy máng do
TLBT
ALN
ND*
LNT*
TH1
737,705
1587,029
104,034
-5296,076 -2867,308
727,98
1424,8
95,158
-4862,1
-2614,16

2.3

Lập bảng tra chuyển vị và ứng suất cầu máng mặt cắt chữ U
2.3.1 Số liệu tính toán CM-XMLT nhịp lớn
Lập các bảng tra sẵn chuyển vị và ứng suất của CM-XMLT-ƯST nhịp đơn có
mặt cắt ngang hình chữ U với một số kích thước thường gặp được kí hiệu là
CM-A, CM-B, CM-C,…, và CM-K cho ở bảng 2.9. Đối với CM-XMLT
thường (không ƯST) thì chiều dày đáy máng to lấy bằng chiều dày thành máng,
còn các kích thước khác lấy theo bảng 2.9.
Với CM-XMLT thường khi lập bảng tra sẵn đã chọn chiều dày đáy máng bằng
chiều dày thành máng to = t = 0,04m, phần đáy máng lúc này có dạng vỏ mỏng
nửa trụ tròn, được kí hiệu thêm dấu (*) là CM-A*, CM-B*,….., và CM-K*.
Bảng 2.3. Kích thước mặt cắt ngang CM-XMLT-ƯST
TT Tên cầu máng Do (m) H (m) to (m) Lực nén LNT* (kN)
1

CM-A

0,80

1,00

0,20

875

2

CM-B

1,00

1,20

0,20

875

3

CM-C

1,20

1,40

0,20

875

4

CM-D

1,40

1,60

0,20

875

5

CM-E

1,60

1,80

0,20

1000

6

CM-G

1,80

2,00

0,20

1000

7

CM-H

2,00

2,20

0,20

1000

8

CM-I

2,20

2,40

0,20

1000

9

CM-K

2,40

2,60

0,20

1500

2.3.2 Bảng tra chuyển vị, ứng suất của cầu máng xi măng lưới thép
Ví dụ Bảng tra chuyển vị và ứng suất của cầu máng CM-C cho ở bảng 2.9 có
kích thước L = 8m ~ 22m; Do = 1,2m, H = 1,4m, LNT* = 875kN. Các số nhập
vào chương trình được thực hiện qua cửa sổ giao diện với người sử dụng. Cho
chạy chương trình và hiển thị kết quả tính toán chuyển vị đứng UY (Hình
2.13), ứng suất dọc máng SZ ở đáy máng và đỉnh máng (Hình 2.14 và Hình
2.15) và ứng ngang máng SX ở đáy máng (Hình 2.16) tại mặt cắt giữa nhịp cầu
máng.

10


Hình 2.2. Đường biểu diễn chuyển vị
đứng UY(L) ở đáy máng

Hình 2.3. Đường biểu diễn ứng suất
dọc SZ(L) ở đáy máng

Hình 2.4. Đường biểu diễn ứng suất
dọc SZ(L) ở đỉnh máng

Hình 2.5. Đường biểu diễn ứng suất
ngang SX(L) ở đáy máng

Theo lý thuyết vỏ khi cầu máng vỏ mỏng dạng dầm có tỷ số giữa chiều dài và
chiều cao của tiết diện cầu máng L/Hm đủ lớn thì độ võng theo phương vuông
góc với trục máng và ứng suất pháp ở đáy máng theo phương dọc tính theo lý
thuyết dầm cũng đủ độ chính xác cần thiết.
Từ kết quả tính toán chuyển vị của cầu máng CM-C có H = 1,4m, to = 0,2m ta
xác định tỷ số L/Hm để kết quả tính toán theo lý thuyết dầm xấp xỉ bằng theo lý

thuyết vỏ cho ở Bảng 2.14, trong đó Hm = H + to = 1,6m.
Bảng 2.4. So sánh chuyển vị tính theo lý thuyết vỏ và lý thuyết dầm
Nhịp máng
Li (m)

Cầu máng MC-C
UY (TLBT)

UY (ALN)

Tỷ số

LT Dầm

L22/Li

4

(L22/Li)

LT Vỏ
TLBT

ALN

L8

8

-0,18805

-0,35493

22/8

2,750

57,9

37,47

39,31

L10

10

-0,3845

-0,74375

22/10

2,200

23,43

18,33

18,76

L12

12

-0,7254

-1,42132

22/12

1,833

11,30

9,71

9,82

L14

14

-1,2718

-2,5038

22/14

1,571

6,10

5,54

5,57

L16

16

-2,0918

-4,1311

22/16

1,375

3,57

3,37

3,38

L18

18

-3,2653

-6,456

22/18

1,222

2,23

2,16

2,16

L20

20

-4,8857

-9,6696

22/20

1,100

1,46

1,44

1,44

L22

22

-7,0468

-13,951

22/22

1,000

1,00

1,00

1,00

Tương tự Bảng 2.15 so sánh ứng suất đáy máng do TLBT và ALN được xác
định theo lý thuyết vỏ bằng chương trình tính CM-XMLT-UST và theo lý
thuyết dầm. Kết quả cho thấy L = 16m thì ứng suất tính theo lý thuyết vỏ và lý
thuyết dầm chênh nhau không đáng kể, với máng CM-C có H = 1,4m, hay tỷ số
11


L/Hm = 16/1,6=10, thì ứng suất theo phương dọc máng tính theo lý thuyết dầm
cũng đạt độ chính xác cần thiết, đặc biệt là ứng suất do ALN.
Chuyển vị và ứng suất của CM-XMLT-ƯST với các mặt cắt còn lại ở bảng 2.9
có thể xem ở Phụ lục 2 và Phụ lục 3.

Bảng 2.5. So sánh ứng suất tính theo lý thuyết vỏ và lý thuyết dầm
Nhịp máng
Li (m)

Cầu máng MC-C

Tỷ số

LT Dầm

L22/Li

2

(L22/Li)

LT Vỏ

SZ (TLBT)

SZ (ALN)

TLBT

ALN

L8

8

331,22

627,11

22/8

2,750

7,5625

6,61

7,46

L10

10

509,25

953,19

22/10

2,200

4,8400

4,30

4,91

L12

12

727,98

1424,8

22/12

1,833

3,3611

3,01

3,28

L14

14

988,27

1902,3

22/14

1,571

2,4694

2,22

2,46

L16

16

1284,9

2527,9

22/16

1,375

1,8906

1,70

1,85

L18

18

1616,2

3145,3

22/18

1,222

1,4938

1,36

1,49

L20

20

1989,2

3923,3

22/20

1,100

1,2100

1,10

1,19

L22

22

2190,7

4679,9

22/22

1,000

1,0000

1,00

1,00

2.4
Kết luận Chương 2
Tác giả đã lập một chương trình chuyên dụng xác định trạng thái biến dạng và
ứng suất của CM-XMLT-ƯST nhịp đơn tiết diện chữ U có chiều dài nhịp và
kích thước mặt cắt ngang tùy ý bằng ngôn ngữ lập trình tham số (APDL) và
trường hợp đặc biệt của nó được sử dụng cho CM-XMLT thường (không
ƯST).
Nhờ chương trình này tác giả đã tính toán thực nghiệm trên máy tính cho hàng
trăm bài toán của kết CM-XMLT-ƯST và không ƯST tiết diện chữ U với 9
loại kích thước mặt cắt ngang thường gặp. Mỗi một loại máng xuất một bảng

chuyển vị đứng và 3 bảng ứng suất suất dọc gồm ứng suất đáy máng, ứng suất
đỉnh máng và ứng suất tại vị trí cáp ƯST để tính tổn hao ứng suất do từ biến và
ép co của XMLT rất thuận tiện và dễ dàng cho người muốn thiết kế CM-XMLT
thường và CM-XMLT-ƯST.
Tuy nhiên cũng cần phải tiến hành thực nghiệm chế tạo thực tế máng XMLTƯST nhịp lớn để kiểm chứng lại khả năng chịu lực thật sự của loại kết cấu này,
nhất là kiểm chứng lại các tổn hao ƯST. Và cũng chỉ qua kết quả chế tạo thực
nghiệm CM-XMLT-ƯST nhịp lớn theo tỉ lệ mô hình 1:1 sẽ được trình bày ở
Chương 4 mới có thể đủ cơ sở để đề xuất phương pháp tính toán, quy trình thiết
kế và công nghệ chế tạo hợp lý sử dụng cho CM-XMLT-ƯST nhịp lớn.

12


CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO CM-XMLT
NHỊP LỚN BẰNG PHƯƠNG PHÁP RUNG ÁP VÁN KHUÔN
3.1
Đặt vấn đề
Chất lượng CM-XMLT nhịp lớn chế tạo bằng phương pháp rung áp ván khuôn
phụ thuộc vào nhiều yếu tố nhưng chủ yếu là thời gian rung, loại máy rung và
bố trí hệ rung trên ván khuôn. Trong ba yếu tố nêu trên, vấn đề lựa chọn thời
gian rung và loại máy rung hợp lý có thể dễ dàng được giải quyết khi biết mác
vữa và kích thước cấu kiện. Mấu chốt của phương pháp này chính là xác định
được vùng ảnh hưởng của một máy rung từ đó có biện pháp bố trí hệ máy rung
hợp lý để đảm bảo tác động đồng đều đến mọi vị trí của cầu máng khi rung.
3.2
Xác định vùng ảnh hưởng của một máy rung
3.2.1 Lựa chọn loại máy rung
Chọn các thông số của đầm rung thông dụng như sau:
+ Công suất động cơ:
N = 1,1kW

+ Số vòng quay trục chính:
n = 2850vòng/phút
+ Dòng điện:
I = 8,75A; U = 220V
+ Khối lượng máy:
mo = 10kg
+ Khối lượng quả văng:
me = 2kg
+ Khoảng cách lệch tâm:
re = 0,10m
3.2.2 Phạm vi ảnh hưởng của một máy rung
Nguyên lý làm việc của
máy rung chính là tạo ra lực
kích động tác dụng lên ván
khuôn, xung lực này có
dạng dao động tuần hoàn
theo phương vuông góc với
bề mặt ván khuôn và được
viết dưới dạng sau:

Y
K

M
P(t)

C

x

X

Hình 3.1. Mô hình động lực học của hệ kết cấu
ván khuôn

P(t) = Posin(ωt+ϕ)
(3-1)
Với lực kích động của một máy rung, mô hình chuyển động của kết cấu ván
khuôn được cho ở hình 3.2.
Khi ván khuôn chịu lực kích động sẽ gây ra dao động cục bộ và tổng thể kết
cấu, nó phụ thuộc chủ yếu vào khối lượng M, độ cứng K và độ cản C của kết
cấu ván khuôn. Trong thực tế để xác định các yếu tố trên gặp rất nhiều khó
khăn thậm chí không thể thực hiện được. Chủ yếu lựa chọn theo kinh nghiệm
và kết hợp mô phỏng trên máy tính để lựa chọn thông số máy và bố trí hợp lý.
Bước đầu tác giả sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn giải trên máy tính để
13


xác định phạm vi ảnh hưởng của lực kích động do một máy rung gây ra và xác
định được bán kính ảnh hưởng của một máy rung R ≅ 1m.
3.3
Lựa chọn sơ đồ bố trí máy rung trong CM-XMLT nhịp lớn
3.3.1 Bố trí máy rung
Khi bố trí máy trong cầu máng coi các máy đầm rung động hoạt động đồng
thời, cùng tần số và cùng pha (bỏ qua sai lệch ngẫu nhiên về tần số và pha). Về
mặt lý thuyết, để thực hiện tốt quá trình rung cần bố trí các máy đầm rung sao
cho trong quá trình làm việc xảy ra hiện tượng cộng hưởng để tăng độ chặt, rút
ngắn thời gian rung, và biên độ dao động đạt được trong khoảng A1 =
(0,5÷1,0)mm là thích hợp. Trong thực tế thường được bố trí theo kinh nghiệm
và chứng minh qua mô hình toán.

Qua kết quả tính toán sơ bộ phạm vi ảnh hưởng của một máy rung như ở phần
trên, tác giả đã đề xuất một số loại sơ đồ bố trí máy trên ván khuôn của cầu
máng dài L = 12m: bố trí 7 máy; bố trí 9 máy; bố trí 11 máy; bố trí 13 máy.
3.3.2 Phân tích chọn phương án bố trí máy
Trong các phương án bố trí máy đầm rung trên ván khuôn, so sánh hiệu quả
kinh tế chọn phương án bố trí 11 máy là hợp lý nhất. Phương án này giảm được
chi phí đầu tư máy móc thiết bị, vận hành đơn giản, tiết kiệm thời gian và nhân
lực. Thời gian thi công một cấu kiện là phù hợp cho việc kiểm tra, bảo dưỡng.
Đồng thời trong quá trình thi công, khi có xảy ra sự cố hỏng máy thì có thể
khắc phục kịp thời mà không làm gián đoạn quá trình rung.
3.3.3 Tính toán kiểm tra phương án chọn
3.3.3.1 Xây dựng mô hình kết cấu ván khuôn
Dựa trên ngôn ngữ tham
số hóa thiết kế (APDL) tác
giả đã xây dựng bài toán
rung áp ván khuôn với
tham số kích thước máng,
bố trí máy và thông số
máy rung tùy ý để dễ dàng
cho việc nghiên cứu với
các máng có kích thước và
bố trí khác nhau. Mô hình
phần tử hữu hạn kết cấu
ván khuôn cho ở hình 3.9.

Hình 3.2. Mô hình phần tử hữu hạn

14

3.3.3.2 Kết quả tính toán

Hình 3.3. Biên độ dao động của ván
khuôn tại thời điểm 1s

Hình 3.4. Biên độ dao động của ván
khuôn tại thời điểm 2s

Hình 3.5. Biên độ dao động của ván
khuôn thời điểm 601s

Hình 3.6. Biên độ dao động của ván
khuôn thời điểm 1502s

3.3.3.3 Nhận xét kết quả tính toán
Từ các kết quả tính toán ở trên cho thấy khi các máy đầm rung động hoạt động
đồng thời trong cùng một giai đoạn, cùng tần số và cùng pha thì biên độ dao
động theo phương đứng và phương ngang máng tương đối đồng đều, tại các vị
trí đặt máy (điểm đặt lực kích động trong mô hình) có biên độ dao động cục bộ
theo phương vuông góc với mặt ván khuôn nhưng rất nhỏ. Điều đó chứng tỏ bố
trí máy theo sơ đồ 11 máy là hợp lý về mặt kỹ thuật.
3.3.3.4 Thời gian rung thực tế tại xưởng
Qua thực tế chế tạo máng XMLT tại xưởng theo sơ đồ 11 máy cho thấy thời
gian thi công cho 1 cấu kiện máng L = 12m là 48 phút; trong đó thời gian rung
t1 = 40 phút, thời gian đổ t2 = 6 phút, sai số thời gian do phối hợp t = 2 phút.

15


3.3.4 Kiểm tra lại khoảng cách bố trí đầm rung

Để kiểm nghiệm lại khoảng cách bố trí đầm rung, đã tiến hành rung theo
phương án bố trí máy đầm rung với R = 1m trên ván khuôn chế tạo máng L =
18m có đường kính Do = 1,2m và chiều cao H = 1,4m.
Với khoảng cách như trên, bố trí 16 máy đầm rung cho nhịp máng L = 18m.
Qua kết quả thực nghiệm tại xưởng cho thấy đối với máng có chiều dài L =
18m, các kết quả đo được cũng không sai khác so với máng có chiều dài nhịp L
= 12m: Thời gian để thi công 1 máng L = 18m là 51 phút; trong đó thời gian
rung t1 = 41 phút, thời gian đổ t2 = 7 phút, sai số do phối hợp t = 3 phút.
3.3.5 Ưu điểm của công nghệ chế tạo CM-XMLT bằng rung áp
- Chất lượng cấu kiện XMLT nhịp lớn tốt hơn các công nghệ chế tạo khác.
- Sử dụng nguồn lao động thủ công là chủ yếu.
- Trang thiết bị đơn giản dễ sử dụng, tiện lợi cho thi công vận hành thay thế.
- Sản xuất cấu kiện tại hiện trường, tiện lợi về mặt bằng thi công.
- Tiết kiệm nhân lực, thời gian, ít phụ thuộc vào thời tiết, giảm chi phí bốc dỡ.
- Phục vụ tốt cho nhu cầu thi công ở mọi địa hình phức tạp, thích hợp cho cả
trường hợp thi công CM-XMLT nhịp lớn trên cao.
3.4
Kết luận Chương 3
Thông qua kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm trên máy tính đã xác
định được sơ bộ bán kính ảnh hưởng của máy rung trên ván khuôn trong phạm
vi R ≅ 1m. Từ kết quả nghiên cứu này tác giả đã đề xuất 4 sơ đồ bố trí máy trên
ván khuôn của nhịp máng dài 12m. Dựa trên ưu nhược điểm về hiệu quả kinh
tế của các phương án bố trí, tác giả đã lựa chọn phương án bố trí 11 máy để
xem xét hiệu quả về chất lượng rung. Thông qua kết quả tính toán mô phỏng
trên máy tính bằng phần mềm ANSYS thấy rõ hiệu quả đồng đều trên toàn bộ
ván khuôn. Với chiều dài máng L = 12m bố trí 11 máy là hợp lý.
Để kiểm nghiệm lại khoảng cách bố trí đầm rung R = 1m, tác giả đã tiến hành
thực nghiệm tại hiện trường trên ván khuôn của nhịp máng L = 18m có đường
kính Do = 1,2m và chiều cao H = 1,4m. Với khoảng cách R = 1m, bố trí 16 máy
đầm rung. Qua kết quả thực nghiệm ở xưởng nhận thấy đối với máng có chiều

dài nhịp máng L = 18m cũng cho chất lượng tưng tự máng L = 12m.
CHƯƠNG 4 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM TẠI HIỆN TRƯỜNG
ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG CM-XMLT-ƯST NHỊP LỚN
4.1
Mục tiêu và nội dung nghiên cứu thực nghiệm
4.1.1 Mục tiêu nghiên cứu
Mục tiêu của thực nghiệm cầu máng XMLT-ƯST nhịp lớn là để kiểm chứng lại
khả năng chịu lực thật sự của loại kết cấu này, và kiểm chứng các tổn hao ƯST.
16


4.1.2 Nội dung thực nghiệm
Thiết kế thí nghiệm
Tiến hành thí nghiệm
Đánh giá và xử lý kết quả thí nghiệm
4.2
Xây dựng mô hình thực nghiệm
Cách tạo tải trọng: trong thực tế cầu máng chịu nhiều loại tải trọng bao gồm
nước, người đi lại, gió… Để tiến hành gia tải đến phá hoại kết cấu đã thực hiện
quy đổi tương đương từ tải trọng nước và người đi lại bằng tải trọng cát.
Mẫu thí nghiệm: thực nghiệm nguyên mẫu cho 02 CM-XMLT-ƯST có chiều
dài L = 12m và 01 CM-XMLT-ƯST dài L = 18m. Cả 3 máng đều có cùng mặt
cắt hình chữ U với đáy máng được căng cáp ƯST và cùng một loại vật liệu.
Đại lượng và Phương pháp đo: đo võng bằng máy thủy bình, đo biến dạng của
xi măng lưới thép bằng lá đo điện trở và dụng cụ đồng hồ cơ học.
4.3
Thí nghiệm chỉ tiêu cơ lý của vật liệu xi măng lưới thép
4.3.1 Số lượng mẫu vật liệu xi măng lưới thép
4.3.1.1 Mẫu thí nghiệm các loại vật liệu lưới thép
Kết quả thí nghiệm kéo thép sợi φ1 mm đã chế tạo lưới có kích thước mắt lưới

10×10mm (ngày 20/11/2001, theo TCVN 197-85):
Giới hạn chảy : σch = 5350daN/cm2; Giới hạn bền: σb = 7340daN/cm2
4.3.1.2 Mẫu thí nghiệm thành phần cấp phối vữa xi măng lưới thép
Mẫu thí nghiệm có thành phần cấp phối vữa (ngày 18/03/2002) như sau:
+ Xi măng Hoàng Thạch - PC 30 có Rn28= 314daN/cm2
+ Cát vàng sông: γox = 1,38T/m3; γa = 2,65g/cm3; Mn= 2,68
4.3.2 Mẫu thí nghiệm kéo vật liệu xi măng lưới thép
4.3.2.1 Quy cách mẫu thí nghiệm kéo
Khuôn mẫu được gia công bằng thép tấm dày (6 ÷ 8)mm, được gia công chế
tạo với các kích thước chuẩn: 400×100×40mm. Hai đầu mẫu làm bằng thép tấm
hình chữ T để dể dàng cho công việc kéo, phần nối với mẫu hàn (4÷6) thanh
thép φ6 dài 8cm để buộc định vị lưới thép và tạo liên kết.
4.3.2.2 Số lượng mẫu thí nghiệm kéo
Mẫu thí nghiệm vật liệu XMLT được thực hiện từ ngày 28/05/2002 đến ngày
05/07/2002 tại công trường sản xuất CM-XMLT Kon Tum. Bao gồm:
+ Mẫu có mác vữa M250 có các loại đặt 2 lớp lưới, 3 lớp lưới, 4 lớp lưới.
+ Mẫu có mác vữa M300 có các loại đặt 2 lớp lưới, 3 lớp lưới, 4 lớp lưới.
+ Mẫu có mác vữa M350 chỉ có loại đặt 4 lớp lưới.
Mỗi nhóm mẫu có 5 tổ mẫu, tổng cộng M250 có 15 tổ mẫu, M300 có 15 tổ
mẫu, M350 có 05 tổ mẫu.
17


4.3.3 Kết quả đo các mẫu thí nghiệm vật liệu xi măng lưới thép
4.3.3.1 Dụng cụ thí nghiệm kéo
Các dụng cụ thí nghiệm của Viện Khoa học thủy lợi miền Nam đều được Trung
tâm Tiêu chuẩn đo lường khu vực 3 kiểm định, bao gồm:
+ Máy kéo nén vạn năng: DLY 60 của Trung Quốc.
+ Đồng hồ đo biến dạng: Độ chính xác 0,001mm.
4.3.3.2 Kết quả thí nghiệm kéo mẫu vật liệu xi măng lưới thép

Bảng 4.1. Kết quả cường độ kéo phá hoại các loại mẫu vật liệu XMLT
TT Mác vữa Số lớp lưới
E (daN/cm2)
Rk (daN/cm2)
1
M250
2 lớp lưới
164000
22,93
2
M250
3 lớp lưới
205000
27,85
3
M250
4 lớp lưới
250000
31,53
4
M300
2 lớp lưới
278000
32,13
5
M300
3 lớp lưới
302000
35,30
6

M300
4 lớp lưới
325000
38,65
7
M350
4 lớp lưới
362000
45,68
4.4
Thiết kế và chế tạo mẫu thí nghiệm
4.4.1 Vật liệu
Chế tạo CM-XMLT bằng vữa xi măng cát M300 và đặt 4 lớp lưới thép sợi
φ1mm đã chế tạo thành lưới có kích thước mắt lưới 10×10mm.
4.4.2 Mẫu thí nghiệm

Hình 4.1. Chế tạo mẫu CM-XMLT-ƯST nhịp L =12m và nhịp L = 18m
Thiết kế 03 máng XMLT-ƯST có cùng kích thước mặt cắt ngang như sau:
+ Kích thước máng: H = 1,40m; Do = 1,20m; t = 0,04m
+ Kích thước và khoảng cách các thanh giằng bg×hg = 10×15cm, Lg = 2m
+ Kích thước đáy máng tại vị trí căng cáp: (0,50×0,2)m.
trong đó: 02 máng có chiều dài L = 12m, 01 máng có chiều dài L = 18m.

18


4.4.3 Chế tạo mẫu thí nghiệm
Từ 05/10/2007 đến 30/10/2007 tại công xưởng sản xuất CM-XMLT tại Đồng
Xoài, Bình Phước, tác giả đã tiến hành chế tạo 03 mẫu CM-XMLT-ƯST với
vật liệu và kích thước như trên.

4.5
Thực nghiệm tại hiện trường ứng suất và biến dạng CM-XMLTƯST nhịp lớn
Ngày 28/01/2008 cũng tại công xưởng tác giả đã tiến hành thực nghiệm căng
cáp ƯST và đo đạc các giá trị về ứng suất và độ võng các CM-XMLT-ƯST.
4.5.1 Các đại lượng cần đo
+ Đo lực kéo cáp; + Đo chuyển vị ; + Đo biến dạng.
4.5.2 Thiết bị thí nghiệm
+ Gia tải: hai đầu máng được xếp bao tải cát, trong máng được đổ cát khô.
+ Thiết bị đo chuyển vị: sử dụng máy thủy chuẩn Nikon của Nhật, mia được
gắn cố định trên kết cấu.
+ Thiết bị đo biến dạng: sử dụng máy đo biến dạng Instruments Division P3500 Strain Indicator của Mỹ để đọc dữ liệu từ straingage.
+ Thiết bị kéo cáp: Sử dụng kích thủy lực SPX Power Team của Mỹ.
Các thiết bị thí nghiệm được hiệu chuẩn bởi Trung tâm kỹ thuật tiêu chuẩn đo
lường chất lượng 3 (Quatest 3) và còn trong thời gian hiệu chuẩn.
4.5.3 Bố trí thiết bị đo
Máng được đặt tự do trên hai gối tuyệt
đối cứng nằm ngang để đảm bảo trong
quá trình thí nghiệm không ảnh hưởng
đến kết quả đo. Bố trí các điểm đo ở đáy
và đỉnh máng để xác định ứng suất lớn
nhất theo phương dọc máng. Bố trí các
điểm đo trên thành máng tại hai đầu để
xác định ứng suất chính lớn nhất.
Số lượng điểm thí nghiệm mỗi máng:
+ 20 điểm đo bằng dụng cụ đồng hồ cơ
học, ký hiệu từ T1 đến T20
+ 8 điểm đo bằng lá điện trở, ký hiệu từ
L1 đến L8
+ 3 điểm đo độ võng M1 đến M3

Hình 4.2. Vị trí các điểm đo máng
số 1, 2, 3

Vị trí các điểm đo tại mặt cắt giữa nhịp được định vị trên hình 4.7, trong đó từ
T1 đến T20 là điểm đo bằng thiên phân kế, từ L1 đến L8 là điểm đo bằng lá
điện trở, từ M1 đến M3 là điểm đo độ võng.

19


4.5.4

Tiến hành thực nghiệm

Hình 4.3. Quá trình gia tải cát vào trong máng thực nghiệm
Bước 1: Công tác chuẩn bị
Cố định mẫu để đảm bảo trong quá trình gia tải, căng kéo cáp được ổn định.
Vệ sinh mẫu, chuẩn bị đủ số lượng bao tải cát và cát gia tải.
Đánh số thứ tự các điểm đo trên mẫu.
Bước 2: Lắp đặt và kiểm tra các thiết bị đo
Kết nối các thiết bị đo: straingage với máy để đọc dữ liệu.
Kiểm tra hoạt động của các đồng hồ cơ học.
Gắn straingege và thiết bị đo biến dạng lên vị trí đã đánh dấu.
Bước 3: Bắt đầu thí nghiệm
Gia tải cát cần đổ đều và tránh rung động ảnh hưởng đến kết quả đo.
Quá trình căng cáp như sau: sau khi luồn cáp vào ống gen và lắp đầu neo vào
cáp, tiến hành kéo cáp từng sợi đảm bảo đối xứng theo các cấp lực kéo ứng với
từng giai đoạn với lực căng cáp ƯST được tăng dần theo 6 cấp cho ở bảng 4.3.
Bảng 4.2. Lực kéo ƯST ở cuối mỗi giai đoạn căng cáp
Lực căng cáp ƯST T(kN/1 cáp) ở từng giai đoạn:

G.đoạn 1 G.đoạn 2 G.đoạn 3 G.đoạn 4 G.đoạn 5 G.đoạn 6 G.đoạn 7
28,90
50,56
75,83
90,27
119,15
137,20
137,20
Tổng lực căng cáp ƯST LNT(kN) ở từng giai đoạn:
144,50
252,80
379,15
451,35
595,75
686,00
686,00
Đối với máng số 2 (L = 12m), sau khi luồn cáp vào ống gen và lắp đầu neo vào
cáp, tiến hành kéo cáp từng sợi theo từng giai đoạn:
Giai đoạn 1 đến giai đoạn 6: Tiến hành tương tự như máng số 1 và máng số 3,
tức là kéo căng cáp ứng với các cấp tải trọng từ 28,90 ÷ 137,20kN/1 sợi, đo
ứng suất và đo biến dạng của máng ứng với từng giai đoạn.
20


Hết giai đoạn 6 thì dừng kéo cáp và neo sợi cáp lại, không thực hiện giai đoạn 7
như máng số 1 và máng số 3.
4.6
Kết quả thực nghiệm CM-XMLT-ƯST nhịp lớn
4.6.1 Kết quả thực nghiệm cầu máng số 1 và máng số 2 (L = 12m)
Tổng hợp giá trị đo ứng suất đáy máng và độ võng của cả hai máng số 1 và số 2

vào bảng 4.10 và 4.12. Từ bảng này cho thấy chúng cũng xấp xỉ nhau và có sai
khác không lớn. Vậy kết quả đo thực nghiệm hiện trường có thể tin cậy được.
Bảng 4.3. Tổng hợp kết quả đo ứng suất đáy máng CM-XMLT-ƯST số 1 và 2
Tên máng
LNT(kN)
Máng số 1
Máng số 2
T.nghiệm
T.toán

G.Đ 2
252,80
-6,85
-5,73
-6,29
-6,768

Ứng suất đáy máng (daN/cm2)
G.Đ 3
G.Đ 4
G.Đ 5
G.Đ 6
379,15
451,35
595,75
686,00
-13,03
-16,98
-24,69
-27,84

-13,64
-16,93
-24,54
-28,27
-13,335
-16,955 -24,615
-28,06
-13,788
-17,800 -25,824 -30,839

G.Đ 7
686,00
-18,11
*

Bảng 4.4. Tổng hợp kết quả đo độ võng đáy máng CM-XMLT-ƯST số 1 và 2
Tên máng
LNT(kN)
Máng số 1
Máng số 2
T.nghiệm
T.toán

G.Đ 2
252,80
0,45
0,43
0,44
-0,036

G.Đ 3
379,15
0,83
0,81
0,83
0,308

Độ võng (mm)
G.Đ 4
G.Đ 5
451,35
595,75
0,93
1,46
1,03
1,50
0,98
1,48
0,505
0,898

G.Đ 6
686,00
1,88
1,75
1,81
1,144

G.Đ 7
686,00

0,55
*

Căn cứ vào kết quả thực nghiệm ở cả 2 máng số 1 số 2, có thể kết luận đối với
loại CM-XMLT-ƯST (có D = 1,2m và L =12m) như trên thì chỉ cần kết thúc
căng cáp ƯST ở cuối giai đoạn 4 (tương ứng lực căng cáp: 90kN/1 sợi).
4.6.2 Kết quả thực nghiệm cầu máng số 3 (L = 18m)
Theo kết quả thực nghiệm cầu máng số 3, trong quá trình kéo cáp ƯST, giá trị
ứng suất lớn nhất xuất hiện ở cuối giai đoạn 6 khi kết thúc căng cáp. Sau khi
chất tải lớn nhất lên cầu máng (kết thúc giai đoạn 7) thì cả ứng suất nén đáy
máng và ứng suất kéo đỉnh máng đều giảm nhỏ hơn nhiều so với khi kết thúc
căng cáp (giai đoạn 6). Ứng suất nén ở đáy máng giảm nhỏ và chuyển thành
ứng suất kéo ở đáy cầu máng. Đồng thời ứng suất kéo ở đỉnh máng sau khi chịu
tải đã chuyển thành ứng suất nén. Như vậy, đối với kết cấu CM-XMLT-ƯST số
3, loại nhịp L=18m này thì việc lựa chọn lực căng cáp tối đa đến cuối giai đoạn
6 (tương ứng lực căng cáp: 137kN/1 sợi) mới kết thúc là phù hợp.
21


Hình 4.4. Đường biểu diễn quan hệ
Hình 4.5. Đường biểu diễn quan hệ độ
ứng suất đáy máng và lực nén trước
võng và lực nén trước
4.6.3 Đánh giá chung kết quả thực nghiệm các cầu máng số 1, 2, 3
Qua kết quả thực nghiệm của các CM-XMLT-ƯST 1, 2, và 3 ở trên cho thấy
với máng số 1 và số 2 có cùng kích thước (L = 12m) thì lực căng cáp kết thúc ở
cuối giai đoạn 4 (tương ứng lực căng cáp 90kN/1 sợi) là phù hợp. Máng số 3 có
kích thước dài hơn (L = 18m) thì lực căng cáp kết thúc ở cuối giai đoạn 6
(tương ứng lực căng cáp 137kN/1 sợi) mới phù hợp.
Như vậy, với một loại kích thước CM-XMLT-ƯST nhất định nếu lựa chọn

được lực căng cáp ƯST phù hợp thì sẽ có lợi nhất cho kết cấu cầu máng cả về
nội lực và độ võng. Với phần mềm ANSYS, qua tính toán sẽ dễ dàng chọn lựa
được giá trị căng cáp ban đầu và sẽ rất thuận lợi trong việc kiểm nghiệm qua
thực nghiệm. Tuy nhiên trong trường hợp không có điều kiện thực nghiệm vẫn
có thể chọn luôn giá trị tính toán để đưa vào sử dụng với sai số không nhiều.
4.7
Xác định tổn hao ứng suất trước từ thực nghiệm
Để xác định sơ bộ tổn hao ứng suất của lực căng trước bằng thực nghiệm, ta
phân kết quả tính ứng suất và độ võng ở đáy máng tại giữa nhịp tìm được do
tính toán và thực nghiệm hiện trường thành 2 nhóm. Nhóm thứ nhất do trọng
lượng bản thân, áp lực nước và tải trọng người đi, nhóm thứ hai chỉ do lực căng
cáp của cầu máng số 1, số 2 và số 3 lần lượt cho ở bảng 4.16 và bảng 4.17.
Bảng 4.5. Bảng tổng hợp ứng suất và độ võng của cầu máng số 1 và 2
Nhóm tải trọng 1: TLBT+ALN
Nhóm tải trọng 2: LNT
Kết quả theo
2
Võng (mm) Ứ.S (daN/cm ) Võng (mm) Ứ.S (daN/cm2)
Tính toán
-2,1467
21,528
1,86984
-38,1188
Th. nghiệm
-1,6272
16,074
2,2572
-33,9744
Chênh nhau
+ 0,5195

+ 5,454
- 0,38736
-4,1444
(31,9%)
(33,9%)
(17,16%)
(12,2%)
Từ bảng 4.16 cho thấy đối với tải trọng thuộc nhóm 1 là các tải trọng tương đối
đồng nhất trong tính toán và trong thực nghiệm, nên kết quả khác nhau không
phải do nguyên nhân tải trọng. Còn nhóm thứ hai ngoài các nguyên nhân như
nhóm 1, còn do nguyên nhân tải trọng, đó là các tổn hao ƯST của cáp trong
quá trình căng cáp cũng như trong quá trình chịu lực. Vậy tổng tổn hao ứng
22


suất của cáp ƯST có thể xác định từ kết quả tính theo lý thuyết và thực nghiệm
như sau:
Tổng tổn hao Σσh=SZ(LNT)LT - SZ(LNT)TN
(daN/cm2)
Bảng 4.6. Bảng tổng hợp ứng suất và độ võng của cầu máng số 3
Nhóm tải trọng 1: TLBT+ALN
Nhóm tải trọng 2: LNT
Kết quả theo
2
Võng (mm) Ứ.S (daN/cm ) Võng (mm) Ứ.S (daN/cm2)
Tính toán
-9,7213
47,615
4,0919
-37,3058

Th. nghiệm
-7,822
38,8408
5,362
-30,10
Chênh nhau
- 1,8993
+ 8,7742
-1,2702
-7,2058
(24,28%)
(22,59%)
(23,69%)
(23,94%)
4.8
Kết luận Chương 4
Kết quả đo ứng suất và biến dạng đáy máng của XMLT-ƯST số 1 và máng số
2 theo các giai đoạn căng cáp ƯST có giá trị xấp xỉ nhau với sai số nhỏ, cho
thấy kết quả đo đạc thực nghiệm hiện trường có thể tin cậy được.
Với một loại kích thước CM-XMLT-ƯST nhất định nếu lựa chọn được lực
căng cáp ƯST phù hợp thì sẽ có lợi nhất cho kết cấu cầu máng cả về nội lực và
độ võng. Tuy nhiên trong trường hợp không có điều kiện thực nghiệm vẫn có
thể chọn luôn giá trị tính toán để sử dụng với sai số không nhiều.
Quan hệ giữa ứng suất, biến dạng của đáy máng với lực căng cáp ƯST của thân
máng XMLT-ƯST theo tính toán và theo thực nghiệm đều là tuyến tính và cả 2
đường thẳng gần như song song. Trong đó tổn hao ứng suất của lực căng cáp
đóng vai trò quan trọng, theo tiêu chuẩn thiết kế bê tông cốt thép ƯST của
nhiều nước đều lấy tổng tổn hao này không dưới 1000daN/cm2 với phương
pháp căng trước và 800daN/cm2 với phương pháp căng sau, điều đó cho thấy là
các công thức tính tổn hao trong các tiêu chuẩn thiết kế chưa yên tâm hoàn

toàn. Cho nên với CM-XMLT-ƯST nhịp lớn mới sử dụng lần đầu cần có kiểm
tra ứng suất và biến dạng bằng thí nghiệm hiện trường.
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
1. Những kết quả đạt được của Luận án
(1) Tác giả đã lập một chương trình chuyên dụng xác định trạng thái biến dạng
và ứng suất của CM-XMLT-ƯST nhịp đơn tiết diện chữ U có chiều dài nhịp và
kích thước mặt cắt ngang tùy ý bằng ngôn ngữ lập trình tham số (APDL) và
trường hợp đặc biệt của nó được sử dụng cho CM-XMLT thường.
(2) Tác giả đã tính toán thực nghiệm trên máy tính cho hàng trăm bài toán của
kết cấu máng XMLT-ƯST và không ƯST tiết diện chữ U với 9 loại kích thước
mặt cắt ngang thường gặp.
(3) Tác giả đã tiến hành nghiên cứu chế tạo và thực nghiệm tại hiện trường với
3 kích thước CM-XMLT-ƯST. So sánh kết quả tính toán mô phỏng trên máy
tính và đo đạc tại hiện trường để kiểm chứng khả năng chịu lực thực tế của cầu
23