Nghiên cứu ứng xử của bê tông tháp cầu Cửa Đại, tỉnh Quảng Ngãi do nhiệt thủy hóa gây ra

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KIỀU QUỐC LAI

NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ CỦA BÊ TÔNG THÁP CẦU
CỬA ĐẠI, TỈNH QUẢNG NGÃI DO NHIỆT THỦY
HÓA GÂY RA

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG

Đà Nẵng - Năm 2018


Công trình được hoàn thành tại
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học: TS. VÕ DUY HÙNG

Phản biện 1: PGS.TS Nguyễn Phi Lân
Phản biện 2: GVC.TS Huỳnh Phương Nam

Luận văn được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt
nghiệp thạc sĩ Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông họp tại
Trường Đại học Bách khoa vào ngày 25 tháng 11 năm 2018.

Có thể tìm hiểu luận văn tại:
 Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng tại Trường Đại học
Bách khoa
 Thư viện Khoa Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông Đại học Bách khoa

1
MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài.
Hiện nay, cùng với sự phát triển công nghệ hiện đại trong thi
công cầu trên thế giới nói chung, Việt Nam chúng ta cũng đang có
những công trình cầu hiện đại, với quy mô lớn, khả năng vượt nhịp
lớn. Ví dụ như cầu Mỹ Thuận, cầu Cần Thơ, cầu Thị Nại, cầu Thuận
Phước, cầu Bãi Cháy… ngoài các cầu treo dây văng, dây võng, ở
nước ta cũng đã xây dựng các cây cầu với công nghệ
EXTRADOSED, trong đó có cầu Cửa Đại, tỉnh Quảng Ngãi vừa
được khởi công xây dựng vào đầu năm 2018, bắt qua sông Trà Khúc,
tỉnh Quảng Ngãi. Để xây dựng được những cây cầu có quy mô lớn
như vậy thì bên cạnh đó phải có hệ thống móng, trụ tháp với kích
thước lớn. Trong quá trình đổ bê tông khối lớn, thường xảy ra hiện
tượng nhiệt thủy hóa bê tông, nghĩa là khi bê tông ninh kết chuyển từ
thể lõng sang thể rắn, do sự thủy hóa của xi măng, một lượng nhiệt
lớn sinh ra làm cho nhiệt độ bê tông tăng lên, sự chênh lệch nhiệt độ
lớn so với bên ngoài, gây nên ứng suất nhiệt làm nứt nẻ bê tông, ảnh
hưởng lớn đến chất lượng của công trình. Qua đó, câu hỏi đặt ra nhu
cầu bức thiết là làm thế nào để biết được quá trình phát sinh nhiệt
thủy hóa trong bê tông khối lớn, từ đó tránh xảy ra những hiện tượng
nứt nẻ bê tông khi đổ bê tông. Đồng thời, việc nghiên cứu nhiệt thủy
hóa trong bê tông còn là cơ sở để đề xuất các biện pháp đối phó để
nâng cao chất lượng công trình. Do đó, việc nghiên cứu ứng xử của
bê tông do nhiệt thủy hóa gây ra trong thi công tháp cầu, phân tích
các đặc điểm ứng suất, nhiệt độ, chuyển vị của bê tông trụ tháp cầu là
có cơ sở và ý nghĩa thiết thực. Đặc biệt, cầu Cửa Đại – tỉnh Quảng
Ngãi là một cầu lớn gồm 5 tháp với khối lượng bê tông là rất lớn, đặc

2
biệt là lượng bê tông cho bệ tháp. Do đó, việc tiến hành các phân tích
nghiên cứu ứng xử của bê tông tháp cầu Cửa Đại do nhiệt thủy hóa là
hết sức cần thiết.
2. Mục tiêu nghiên cứu
a. Mục tiêu tổng quát
- Nghiên cứu quá trình nhiệt thủy hóa trong thi công trụ tháp cầu
Cửa Đại, tỉnh Quảng Ngãi. Đồng thời đưa ra và đánh giá các ứng xử về
ứng suất, chuyển vị nứt so với ứng suất cho phép của bê tông tháp cầu.
- Đề xuất biện pháp để giảm nhiệt độ bê tông trong trụ cầu sau
khi đổ bê tông.
- Đưa ra kết luận và hướng phát triển của đề tài.
b. Mục tiêu cụ thể
- Phân tích đặc điểm ứng suất, nhiệt độ, chuyển vị của bệ trụ
tháp cầu.
- Đề xuất quan hệ ứng suất tính toán so với ứng suất gây nứt
(Crack ratio), các đồ thị.
- Các biện pháp hạn chế.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Nghiên cứu: Nhiệt thủy hóa - tháp cầu Cửa Đại - Quảng Ngãi
- Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu đánh giá các tác động của
nhiệt thủy hóa trong quá trình đổ bê tông tháp cầu.
4. Phương pháp nghiên cứu
- Thu thập tài liệu có liên quan đến đề tài.
- Nghiên cứu và phát triển lý thuyết phục vụ đề tài.
- Mô hình kết cấu tháp cầu bằng phần tử tấm và khối trong
phần mềm Midas.
5. Ý nghĩa khoa học và giá trị thực tiễn của đề tài

- Xác định được sự ảnh hưởng của nhiệt thủy hóa đến các ứng


3
xử của Tháp cầu Cửa Đại - Quảng Ngãi.
- Xác định thay đổi nhiệt độ và ứng suất trong quá trình đông
cứng bê tông.
- Đưa ra các khuyến cáo về tác động của nhiệt thủy hóa đến bê
tông khối lớn trong thi công Tháp cầu Cửa Đại- Quảng Ngãi.
6. Cấu trúc luận văn
Ngoài phần mở đầu, kết luận, luận văn gồm 3 chương:
Chương 1. Giới thiệu Tổng quan đề tài.
Chương 2. Cơ sở lý thuyết tính toán tác động của nhiệt thủy
hóa.
Chương 3. Phân tích các ảnh hưởng của nhiệt thủy hóa đến thi
công tháp cầu Cửa Đại, tỉnh Quảng Ngãi.


4
CHƯƠNG 1
GIỚI THIỆU TỔNG QUAN ĐỀ TÀI
1.1. Tổng quan về Cầu Cửa Đại – tỉnh Quảng Ngãi
Cầu Cửa Đại nằm trong quy hoạch tuyến đường ven biển Việt
Nam đã được Thủ tướng Chính phủ phê duyệt tại Quyết định số
129/QĐ-TTg ngày 18/01/2010. Đây là công trình quan trọng kết nối
giao thông của khu vực ven biển các tỉnh, thành phố trong khu vực
Vùng kinh tế trọng điểm miền Trung; không chỉ góp phần khai thác
có hiệu quả tài nguyên biển và vùng ven biển mà còn tăng cường
củng cố quốc phòng, an ninh nhằm bảo vệ vững chắc chủ quyền biển
đảo của đất nước; mở rộng không gian đô thị, là điểm nhấn về kiến

trúc bố trí không gian của thành phố Quảng Ngãi trong tương lai với
mục tiêu xây dựng thành phố Quảng Ngãi thành “thành phố hướng
biển”;
Vì vậy, việc đầu tư xây dựng cầu Cửa Đại là hết sức cần thiết,
có ý nghĩa đặc biệt quan trọng trong việc thúc đẩy phát triển kinh tế xã hội khu vực ven biển tỉnh Quảng Ngãi, kết nối và phát triển vùng
ven biển duyên hải miền Trung, phân luồng giao thông, giảm áp lực
cho Quốc lộ 1, giữ vững quốc phòng, an ninh biển đảo; tạo điều kiện
lưu thông thuận lợi, rút ngắn thời gian đi lại của nhân dân;
Các thông số kỹ thuật của cầu Cửa Đại, tỉnh Quảng Ngãi:
Bố trí chung toàn cầu: Cầu gồm 37 nhịp bố trí từ phía đầu
tuyến sang cuối tuyến theo sơ đồ như sau: (39+4x40) + (6x40) +
(5x40+39) + (75+4x120+75) + (39+4x40) + (5x40) + (3x40+39)m.
Chiều dài toàn cầu Lc= 1876.8m.
Kết cấu phần trên: Toàn cầu gồm 01 liên dầm EXTRADOSED
6 nhịp và 31 nhịp dẫn giản đơn super T bằng BTCT DƯL.


5
Phần cầu chính: Liên nhịp dầm EXTRADOSED 6 nhịp bằng
BTCT DƯL sơ đồ (75+4x120+75)m chiều cao dầm thay đổi h=4,0m
trên đỉnh trụ, h=2,4m tại giữa nhịp và đầu dầm.
1.2. Nhiệt thủy hóa trong bê tông khối lớn
Kết cấu bê tông khối lớn có thể tích tụ nhiệt thủy hóa xi măng
đủ lớn để gây nên sự thay đổi đáng kể thể tích bê tông trong quá trình
đóng rắn. Sự thay đổi thể tích không đều sẽ tạo ra ứng suất kéo trong
khối bê tông và khi ứng suất này vượt quá giới hạn kéo thì bê tông sẽ
bị nứt. Sự thay đổi thể tích này phát sinh từ các yếu tố như: quá trình
co khô do mất nước, co nở nhiệt của bê tông không đều do sự chênh
lệch nhiệt độ ΔT giữa các phần của khối bê tông.
Sự hình thành và phân bố trường nhiệt độ trong bê tông khối

lớn về cơ bản phụ thuộc vào các yếu tố nội tại của bê tông cũng như
các yếu tố bên ngoài liên quan đến môi trường và công nghệ thi công.
Các yếu tố nội tại của bê tông có thể kể đến: số lượng phần tử; loại
phần tử (dạng tam giác, chữ nhật); thông số về nhiệt của vật liệu; loại
và hàm lượng xi măng; các tính chất về nhiệt của nguyên vật liệu;
nhiệt độ bê tông khi đổ; nhiệt dung riêng của bê tông; tốc độ tỏa
nhiệt; hình dạng, kích thước kết cấu; cấp phối bê tông. Các yếu tố
bên ngoài khối bê tông là các điều kiện biên như: các thông số môi
trường (nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ gió…); phương pháp bảo dưỡng bê
tông; ràng buộc về nhiệt của khối bê tông với các mặt tiếp xúc (ván
khuôn, nền đất); các giá trị về nhiệt tại mặt thoáng của khối bê tông;
hệ số trao đổi nhiệt.
1.2.1. Các yếu tố gây nứt bê tông khối lớn
1.2.1.1. Nứt do chênh lệch nhiệt độ
Độ chênh nhiệt độ  T > 200C - Điều kiện cần
Môdun độ chênh nhiệt độ M T ≥ 500C/m - Điều kiện đủ


6
Vậy để không bị nứt thì ta cần loại trừ điều kiện cần, nghĩa là
làm sao cho có  T < 200C .
1.2.1.2. Nứt do co khô
Biến dạng co  c trên bề mặt bê tông khi nước trong bê tông
bốc hơi một khi bị kìm giữ sẽ sinh ra ứng suất kéo trong khối bê
tông. Khi ứng suất này vượt quá giới hạn cường độ kéo của bê tông
thì bê tông sẽ bị nứt. Các vết nứt này thường xuất hiện trên bề mặt bê
tông bị bốc hơi. Vết nứt ở đây là vết nứt mặt.
1.2.1.3. Nứt do thay đổi nhiệt độ môi trường
Nhiệt độ không khí nóng lạnh thay đổi theo chu kỳ ngày đêm
và theo mùa đã làm cho lớp bề mặt bê tông co nở thường xuyên, phát

sinh ứng suất kéo. Yếu tố này thường tác dụng đối với các kết cấu có
tuổi thiết kế mác bê tông sau 3, 6 tháng hoặc 1 năm, đặc biệt có qua
thời kỳ mùa Đông, có chênh lệch nhiệt độ giữa ngày và đêm khá cao.
Vết nứt trong trường hợp này là nứt mặt.
1.2.1.4. Nứt do mỏi
Bê tông chịu ứng suất kéo lặp nhiều chu kỳ theo sự thay đổi
thường xuyên của thời tiết, lâu ngày bị mỏi, sức kháng nứt kém, dẫn
đến bị nứt mặt.
Như vậy để đánh giá nguyên nhân nứt bê tông khối lớn thì cần
quan tâm đến tất cả các yếu tố gây nứt nêu trên.
1.2.2. Các giai đoạn nứt bê tông khối lớn
- Giai đoạn nâng nhiệt: bê tông phát mạnh (do thuỷ hoá xi
măng) làm cho kết cấu bê tông nóng lên: Giai đoạn này kéo dài trong
khoảng trên dưới 10 ngày đầu sau khi đổ bê tông, bao gồm quá trình
nâng nhiệt và giữ nhiệt trước khi nguội. Các vết nứt trong giai đoạn
này thường là vết nứt mặt, sâu vào khoảng vài chục centimet và
không gây nguy hiểm về khả năng chịu lực của công trình.


7
- Giai đoạn hạ nhiệt: bê tông kết cấu nguội dần, tiếp ngay sau
giai đoạn nâng nhiệt. Giai đoạn này có thể kéo dài nhiều ngày cho
đến nhiều năm sau tuỳ theo khối tích kết cấu bê tông. Kết cấu không
lớn lắm thì nguội nhanh, kết cấu càng lớn thì nguội càng chậm. Các
đập lớn, có khối tích bê tông hàng triệu mét khối, quá trình nguội có
thể phải tính tới hàng chục năm. Các vết nứt trong giai đoạn này có
thể có 2 loại: Nứt mặt và nứt kết cấu. Trong đó nứt kết cấu là nứt có
thể gây nguy hiểm cho công trình.
1.2.3. Biện pháp phòng chống nứt bê tông
- Hạn chế tốc độ phát nhiệt thuỷ hoá của xi măng trong bê tông

- Loại bỏ điều kiện cần  T>200C, nghĩa là luôn giữ cho  T<
200C.
- Hạn chế lượng co khô của bê tông do bị bốc hơi trong quá
trình thi công.
1.3. Đặt vấn đề nghiên cứu
Kết cấu bê tông khối lớn có thể tích tụ nhiệt thủy hóa xi măng
đủ lớn để gây nên sự thay đổi đáng kể thể tích bê tông trong quá trình
đóng rắn. Sự thay đổi thể tích không đều sẽ tạo ra ứng suất kéo trong
khối bê tông và khi ứng suất này vượt quá giới hạn kéo thì bê tông sẽ
bị nứt. Sự thay đổi thể tích này phát sinh từ các yếu tố như: quá trình
co khô do mất nước, co nở nhiệt của bê tông không đều do sự chênh
lệch nhiệt độ ΔT giữa các phần của khối bê tông. Vì vậy, việc chống
nứt nhiệt cho bê tông khối lớn chính là việc kiểm soát được sự phân
bố nhiệt độ và ứng suất trong khối bê tông.
Sự hình thành và phân bố trường nhiệt độ trong bê tông khối
lớn về cơ bản phụ thuộc vào các yếu tố nội tại của bê tông cũng như
các yếu tố bên ngoài liên quan đến môi trường và công nghệ thi công.
Các yếu tố nội tại của bê tông có thể kể đến: số lượng phần tử; loại


8
phần tử (dạng tam giác, chữ nhật); thông số về nhiệt của vật liệu; loại
và hàm lượng xi măng; các tính chất về nhiệt của nguyên vật liệu;
nhiệt độ bê tông khi đổ; nhiệt dung riêng của bê tông; tốc độ tỏa
nhiệt; hình dạng, kích thước kết cấu; cấp phối bê tông. Các yếu tố
bên ngoài khối bê tông là các điều kiện biên như: các thông số môi
trường (nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ gió…); phương pháp bảo dưỡng bê
tông; ràng buộc về nhiệt của khối bê tông với các mặt tiếp xúc (ván
khuôn, nền đất); các giá trị về nhiệt tại mặt thoáng của khối bê tông;
hệ số trao đổi nhiệt.

1.4. Những vấn đề cần giải quyết
- Đề tài tập trung giải quyết bài toán thủy nhiệt của cầu Cửa
Đại - tỉnh Quảng Ngãi. Cụ thể đề tài xây dựng mô hình tháp cầu bằng
phần mềm Midas và sử dụng Midas civil dể phân tích thủy nhiệt. Tập
trung khảo sát sự thay đổi ứng suất, nhiệt độ, tỉ số nứt, chuyển vị
trong quá trình thi công tháp cầu.
- Từ đó đưa ra các khuyến cáo về ảnh hưởng của nhiệt độ trong
việc đổ bê tông khối lớn của Cầu Cửa Đại- Tỉnh Quảng Ngãi.


9
CHƯƠNG 2
CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN TÁC ĐỘNG CỦA
NHIỆT THỦY HÓA
2.1. Thủy hóa trong xi măng
Trong quá trình thủy hóa (phản ứng với nước) xi măng poóc
lăng trộn với cát, sỏi và nước tạo ra khối đá mà chúng ta gọi là bê
tông. Clinker sản phẩm đầu ra của lò quay nung clinker. Bột xi măng
cũng khan nếu chúng ta bỏ qua một lượng nhỏ nước trong thạch cao
được thêm vào ở công đoạn nghiền clinker.
Phản ứng với nước được gọi là "thủy hóa". Điều này liên quan
đến nhiều phản ứng khác nhau, thường xảy ra cùng một lúc. Khi các
phản ứng xảy ra, các sản phẩm của quá trình hydrat hóa dần kết nối
từng hạt cát và các hạt sỏi và các thành phần khác của bê tông, tạo
thành một khối chất rắn.
Quá trình thủy hóa: các phản ứng ở trạng thái khan, clinker có
bốn loại khoáng chính là: alite, belite, aluminate (C3A) và pha ferrite
(C4AF). Ngoài ra còn có một lượng nhỏ sulfate (natri, kali và canxi
sulfate) và thạch cao, được bổ sung khi nghiền clinker để tạo thành xi
măng.

Khi bổ sung nước, các phản ứng xảy ra chủ yếu là phản ứng
tỏa nhiệt, nghĩa là các phản ứng sinh ra nhiệt. Chúng ta có thể có biểu
thị về tốc độ mà các khoáng đang phản ứng bằng cách theo dõi tốc độ
mà nhiệt giải phóng bằng cách sử dụng một thiết bị được gọi là
calometry nhiệt dẫn.
Giai đoạn tỏa nhiệt lớn nhất thường xảy ra trong khoảng từ 10
đến 20 giờ sau khi trộn và sau đó giảm dần. Trong một hỗn hợp có
chứa xi măng poóc lăng, hầu hết cường độ đạt được đã xảy ra trong


10
vòng một tháng. Trường hợp xi măng PC đã được thay thế một phần
bằng các phụ gia khác như tro bay, tăng trưởng cường độ có thể xảy
ra chậm hơn và tiếp tục trong vài tháng hoặc thậm chí một năm.
Ferrite cũng bắt đầu phản ứng nhanh chóng khi nước được
thêm vào, nhưng sau đó chậm lại, có thể vì hình thành một lớp gel
hydroxit sắt, phủ ferrit và đóng vai trò như một rào cản, ngăn ngừa
phản ứng tiếp theo.
2.2. Cơ sở lý thuyết tính toán nhiệt thủy hóa
Phân tích thủy nhiệt bao gồm phân tích truyền nhiệt và phân
tích ứng suất nhiệt.
2.2.1 Phân tích truyền nhiệt: liên quan đến một số khái niệm
sau:
- Dẫn nhiệt (conduction): là một dạng truyền nhiệt có quan hệ
với sự trao đổi năng lượng từ vùng có nhiệt độ cao đến vùng có nhiệt
độ thấp.
- Đối lưu (convection) cũng là một dạng dẫn nhiệt mà ở đó,
nhiệt được trao đổi từ bề mặt các khối rắn lên môi trường chất lỏng hay
chất khí thông qua chuyển động của các phân tử chất lỏng hay khí.
Dòng chất lỏng/chất khí có thể là dòng tự nhiên hay dòng nhân tạo.

- Nguồn nhiệt (Heat Source) thể hiện lượng nhiệt phát sinh
trong quá trình thủy hóa. Nguồn nhiệt phụ thuộc vào nhiệt độ phát
sinh trong quá trình thủy hóa, nhiệt dung riêng, trọng lượng thể tích
của bê tông, v.v…
- Sự làm nguội bằng ống tản nhiệt (pipe cooling) là biện pháp
làm giảm nhiệt độ trong bê tông do quá trình thủy hóa bằng cách đưa
các ống dẫn chất lỏng làm nguội vào trong bê tông. Bản chất của việc
làm nguội ở đây là sự đối lưu nhiệt giữa chất lỏng với thành ống và
sau đó là bê tông.


11
2.2.2. Phân tích ứng suất nhiệt
Ứng suất trong bê tông khối lớn tại mỗi giai đoạn thi công
được tính toán với việc sử dụng các kết quả của phân tích truyền
nhiệt, sự phân bố nhiệt độ nút, cũng như xét đến sự thay đổi các
thuộc tính vật liệu theo thời gian và nhiệt độ, sự co ngót theo thời
gian, từ biến phụ thuộc thời gian và ứng suất, v.v… Các tính toán này
liên quan đến một số khái niệm như tuổi tương đương của bê tông
tính theo nhiệt độ và thời gian và nhiệt độ cộng dồn.
Tốc độ thủy hóa ximăng tăng cùng với sự tăng nhiệt độ và sự
tăng nhiệt độ lại ảnh hưởng đến các tính chất cơ học của bê tông cũng
như sự phát triển các tính chất này theo thời gian. Sự phụ thuộc này
có thể được định lượng bằng cách sử dụng các phương pháp luận về
tuổi của bê tông. Tuổi của bê tông được điều chỉnh thành tuổi tương
đương để xét đến ảnh hưởng của lịch sử tác động nhiệt độ (nhiệt độ
cộng dồn) đến các tính chất cơ học của nó.
2.3. Giới thiệu về phần mềm Midas
MiDAS/Civil là một sản phẩm nổi tiếng được xây dựng vào
năm 1989 phục vụ mục đích tính toán kết cấu cầu với nhiều tính năng

chuyên nghiệp của hãng MiDAS It Co.,Ltđ Hàn Quốc. Phần mềm
này hiện nay đang được áp dụng rất phổ biến ở các nước châu Á như
Nhật, Trung Quốc, Hàn Quốc, Malaysia, Việt nam. Phần mềm có rất
nhiều tính năng đặc biệt, trong đó có tính năng liên quan đến nội
dung trong đề tài là mô hình hóa và phân tích các giai đoạn thi công
có xét đến sự thay đổi tính năng của vật liệu theo thời gian (co ngót,
từ biến, chùng rão vật liệu).
2.4. Cơ sở phân tích tác động của nhiệt thủy hóa bằng Midas civil
Trình tự của việc mô hình hóa và phân tích thủy nhiệt cho các
kết cấu bê tông khối lớn được thực hiện như sau:


12
- Xây dựng mô hình kết cấu phản ánh cấu trúc hình học, vật
liệu, tải trọng, quá trình thi công.
- Xác định sự biến thiên các đặc trưng cơ học của vật liệu như
co ngót, từ biến và cường độ theo thời gian.
- Xác định các đặc trưng nhiệt của vật liệu và kết cấu, như:
Nhiệt dung riêng và hệ số dẫn nhiệt của bê tông; Bề mặt tiếp xúc của
các khối bê tông với môi trường hay với các bộ phận kết cấu khác
trong quá trình thi công; Nhiệt độ môi trường; Hàm mô tả nguồn
nhiệt.
- Xây dựng hàm hệ số đối lưu.
- Mô tả hệ thống làm nguội (nếu có).
- Phân tích và xử lý kết quả.
2.5. Cơ sở phân tích bằng phần tử hữu hạn
Phương pháp phần tử hữu hạn có từ rất sớm, xuất hiện từ năm
1940 và phát triển mạnh vào những năm 60 của thế kỉ này. Được lập
trình trên máy tính nên cho kết quả có tính chính xác cao, phương
pháp phân tử hữu hạn được sử dung rộng rãi trong nhiều lĩnh vực kỹ

thuật công trình, cơ khí, truyền nhiệt, thấm, trường điện thế, điện từ,
cơ chất lỏng.
Với phương pháp này phần tử liên tục sẽ được xem là tập hợp
các phần tử hữu hạn và kết nối nối với nhau tại một số vị trí (nút).
Các nút thường nằm ở vị trí biên các phần tử liền kề nhau. Sự biến
thiên thực sự của biến trường (ứng suất, chuyển vị, nhiệt độ, áp
suất…) bên trong vật thể (môi trường liên tục) chưa biết trước, nên
biến thiên của biến trường bên trong một phần tử hữu hạn được giả
thiết xấp xỉ với một hàm đơn giản. Hàm xấp xỉ (hay hàm nội suy)
được xác định theo biến trường tại các nút. Khi phương trình của
biến trường được viết cho toàn bộ miền tính toán, các ẩn số mới sẽ là


13
giá trị tại các nút của biến trường. Bằng cách giải hệ phương trình
này ta xác định được giá trị của biến trường tại các nút và từ hàm nội
suy đã giả thuyết ta xác đinh được sự biến thiên của biến trường
trong miền tính toán.


14
CHƯƠNG 3
PHÂN TÍCH CÁC ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT THỦY HÓA
ĐẾN THI CÔNG THÁP CẦU CỬA ĐẠI, TỈNH QUẢNG NGÃI
3.1. Thông số thiết kế của tháp cầu Cửa Đại – tỉnh Quảng Ngãi
Cầu Cửa Đại được xây dựng bắt qua sông Trà Khúc, tỉnh
Quảng Ngãi. Cầu có chiều dài Lc= 1876,8m gồm 37 nhịp, 01 liên
dầm EXTRADOSED 6 nhịp và 31 nhịp dẫn giản đơn dầm super T
bằng BTCT DƯL theo sơ đồ như sau: (39+4x40)+(6x40)+ (5x40+39)
+ (75+4x120+75) + (39+4x40)+ (5x40) +(3x40+39)m, bề rộng mặt

cầu B=22m.
Trụ tháp cầu Cửa Đại có tiết diện hình chữ nhật, chiều cao trụ
tháp là 20m (tính từ đỉnh mặt cầu), chiều ngang 2,0m, chiều rộng
thay đổi từ 3,0 đến 6,0m. Bệ trụ tháp có kích thước khá lớn với kích
thước 25x25x3,5+ 11,5x11,5x1,5; đặt trên hệ cọc khoan nhồi gồm 28
cọc đường kính D=1,5m, tổng khối lượng bê tông bệ hơn 2.400m3;
3.2. Phân tích các ảnh hưởng của nhiệt thủy hóa đến thi công tháp
cầu Cửa Đại
3.2.1. Mô hình hóa trên Midas Civil
- Xác định hệ thống đơn vị: Hệ thống đơn vị được sử dụng là
cho lực là N, cho chiều dài là mm, cho nhiệt là Kcal.
- Khai báo vật liệu: Vật liệu tháp cầu là bê tông Mac 40Mpa.
- Khai báo sự phụ thuộc vật liệu vào thời gian: (Co ngót từ
biến)
- Xây dựng lưới phần tử: Đối với bài toán phân tích thủy nhiệt,
do cần các thông tin về thể tích nên các phần tử trong mô hình phải
được chọn là phần tử khối (Solid element). Do đây là kết cấu đối
xứng hai trục nên chỉ cần xây dựng mô hình cho ¼ kết cấu. Các nút


15
nằm trên trục đối xứng được gán các liên kết thích hợp đảm bảo phản
ánh đúng trạng thái ứng suất - biến dạng của kết cấu. Việc xây dựng
lưới phần tử được thực hiện theo các sau:
- Gán vật liệu tương ứng cho phần tử:
- Dự kiến quá trình thi công: (theo biện pháp thi công thực tế
được phê duyệt): thi công đổ bê tông bệ được chia làm 2 giai đoạn:
giai đoạn 1 thi công đến chiều cao bệ là 3,5m, giai đoạn 2 thi công
với chiều cao 1,5m còn lại;
- Định nghĩa các nhóm kết cấu: tương ứng với quá trình thi

công nên ta chia ra làm 2 nhóm kết cấu, nhóm Giai đoạn thi công 1
và 2;
- Định nghĩa các nhóm điều kiện biên: Nhóm điều kiện biên
được định nghĩa phụ thuộc vào sự thay đổi kết cấu và trạng thái
truyền, dẫn nhiệt trong quá trình thi công.
+ Ở giai đoạn thi công 1, kết cấu tiếp xúc với nền đất (bê tông
bịt đáy) sẽ được gán nhiệt độ cố định ở mặt dưới (bằng nhiệt độ môi
trường, ở đây ta chọn là 25oC), tiếp xúc với ván khuôn thép ở xung
quanh và với không khí ở mặt trên.
+ Ở giai đoạn thi công 2, điều kiện tiếp xúc của phần kết cấu
được thi công ở giai đoạn 1 sẽ thay đổi: bề mặt xung quanh sẽ tiếp xúc
với không khí và một phần bề mặt trên sẽ không còn tiếp xúc với bên
ngoài. Khối bê tông được thi công ở giai đoạn 2 được tiếp xúc với ván
khuôn thép ở xung quanh và tiếp xúc với không khí ở mặt trên.
- Gán điều kiện biên kết cấu: Điều kiện biên kết cấu được gán
cho các nút tiếp xúc với đất nền và các nút nằm trên các trục đối xứng.
Các nút tiếp xúc với đất được gán điều kiện biên hạn chế chuyển vị
theo phương thẳng đứng và cho phép chuyển vị tự do theo 2 phương
còn lại. Các nút nằm trên mặt đối xứng song song với trục X sẽ không


16
có chuyển vị theo phương Y và tương tự, các nút nằm trên mặt đối
xứng song song với trục Y sẽ không có chuyển vị theo phương X.
- Định nghĩa hàm nhiệt độ môi trường: Nhiệt độ môi trường
chính là nhiệt độ bên ngoài kết cấu. Sự chênh lệch nhiệt độ bên trong
và bên ngoài kết cấu sẽ ảnh hưởng đến độ lớn và tốc độ truyền nhiệt.
Với một bài toán phân tích thủy nhiệt, có thể sử dụng nhiều hàm
nhiệt độ môi trường khác nhau tùy thuộc vào địa điểm khác nhau có
thể định nghĩa các hàm nhiệt độ môi trường khác nhau.

- Định nghĩa hàm hệ số đối lưu: Hàm hệ số đối lưu thể hiện hệ
số đối lưu cho từng điều kiện tiếp xúc. Ở đây, hai hàm hệ số đối lưu
là hàm hệ số đối lưu cho ván khuôn thép và cho không khí.
- Xác định các phần tử biên tiếp xúc: Để thực hiện được việc
phân tích thủy nhiệt, cần xác định các phần tử nằm trên biên tiếp xúc
cùng các hàm hệ số đối lưu và hàm nhiệt độ bên ngoài tương ứng.
- Xác định miền có nhiệt độ cố định (Prescribed Temperature):
Một trong những ràng buộc (điều kiện biên) khi phân tích thủy nhiệt
là khu vực có nhiệt độ cố định. Đây là nơi có nhiệt độ không thay đổi
trong toàn bộ quá trình thi công, ví dụ như phần tiếp xúc với nền đất.
- Xác định hàm nguồn nhiệt: hàm nguồn nhiệt mô tả quá trình
sinh nhiệt do thủy hóa trong các khối bê tông.
- Gán hàm nguồn nhiệt cho các phần tử: Các hàm nguồn nhiệt
đã được định nghĩa cần được gán cho các bộ phận kết cấu tương ứng.
- Mô hình hóa quá trình thi công: Như ở trình bày ở trên, việc
thi công kết cấu bệ trụ được chia làm 2 giai đoạn chính, một giai
đoạn cho phần bệ chính và một giai đoạn cho phần vát.
Mô hình khối bê tông dùng phân tích có hình dáng như sau:


17

Hình 3.1.Mô hình khối móng dùng để phân tích

Hình 3.2.Vị trí các nút trên mô hình dùng phân tích
3.2.2. Phân tích kết quả
- Nhiệt độ (Temperature): Theo kết quả phân tích, nhiệt độ
trong các khối bê tông là một kết quả đặc trưng của phân tích thủy
nhiệt. Do quá trình thủy hóa, nhiệt độ trong bê tông trong giai đoạn
đầu tăng lên và sau đó giảm dần theo thời gian. Ở đây nhiệt độ cao

nhất xuất hiện trong giai đoạn thi công 1, vào thời điểm 72 giờ sau
khi đổ bắt đầu đổ bê tông với nhiệt độ là 72,7oC (nhiệt độ tại nút
N2727 - nút tại tâm bệ). Vùng nhiệt độ cao tập trung tại giữa bệ và
giảm dần về xung quanh bệ.
Biểu đồ trường phân bố nhiệt độ tại các thời điểm khác nhau
cho thấy thời gian đầu nhiệt độ phân bố khá đều tại các điểm trong
lòng khối bê tông, nhưng càng về sau vùng xung quanh tâm khối
nhiệt độ tăng cao cùng với thể tích vùng này co nhỏ lại. Điều này có


18
thể giải thích như sau: thời gian đầu sau khi đổ bê tông, vữa bê tông
vẫn ở dạng lỏng, khả năng đối lưu và truyền nhiệt tốt nên nhiệt độ
phân bố đều. Càng về sau, khi bê tông bắt đầu đóng rắn, nhiệt lượng
phát ra từ phản ứng thủy hóa xi măng bị tích tụ trong lòng khối và
làm nhiệt độ vùng xung quanh tâm tăng rất cao.
Từ kết quả phân tích tại biểu đồ nhiệt độ tại 5 nút, ta nhận thấy
nhiệt độ cao nhất tập trung tại tâm khối bê tông (Nút N2727 và nút
N2745), tại hai vị trí này hầu như diễn biến nhiệt độ như nhau và
giảm dần. Tại nút N4759 và nút N4772 trong khoảng thời gian từ 0
giờ cho đến 130 giờ gần như diễn biến giống nhau, sau đó nhiệt độ
tại nút N4772 bắt đầu tăng lên khi tiến hành đổ bê tông giai đoạn 2.
Tương tự như nút N4759 và nút N4772, nút N6801 cũng nằm tại mặt
thoáng nên biểu đồ nhiệt độ diễn biến tương đối giống nhau, nhiệt độ
tăng nhanh trong khoảng thời gian 20 giờ sau khi đổ bê tông và bắt
đầu giảm dần về nhiệt độ môi trường.
Tại các biên, đặc biệt là biên tự do (mặt thoáng của khối bê
tông) nhiệt độ có tăng nhưng không lớn và nhanh chóng giảm nhiệt
độ về nhiệt độ môi trường. Tuy nhiên, chênh lệch nhiệt độ giữa điểm
nằm trên biên tự do và tâm khối là rất lớn. Tại tuổi 72 giờ: nhiệt độ

tại tâm là 72,70C còn nhiệt độ tại mặt thoát nhiệt tự do chỉ là 32,70C,
chênh lệch nhiệt độ ΔT = 400C.

Hình 3.3. Biểu đồ nhiệt độ tại 5 nút


19

Hình 3.4. Trường nhiệt độ cao nhất
- Ứng suất (Stress): Các giá trị ứng xuất trong các phần tử khối
do thủy nhiệt hoàn toàn tương tự như ở các bài toán khác. Để xem kết
quả ứng suất mong muốn, người dùng chọn giai đoạn thi công, thời
gian (bước thi công) và phương ứng suất.
Từ kết quả phân tích ta thấy ứng suất trong khối bê tông ở thời
gian đầu sau khi đổ bê tông chủ yếu là ứng suất nén, ứng suất kéo chỉ
xuất hiện chủ yếu ở mặt thoáng và xung quanh các góc cạnh ván
khuôn. Điều này có thể được giải thích là do trong khoảng thời gian
này là giai đoạn tăng nhiệt khối bê tông, khi đó phần bê tông phía
trong có xu hướng nở nhiệt nên ứng suất phát sinh chủ yếu trong khối
là ứng suất nén. Trong khi đó ở mặt thoáng và góc ván khuôn bê tông
bị giảm nhiệt độ nhanh (ra môi trường không khí và qua ván khuôn)
sẽ có xu hướng co, nhưng do bị các lớp phía trong có nhiệt độ cao
hơn kìm giữ và là nguyên nhân phát sinh ra ứng suất kéo của lớp bê
tông ở những vị trí này. Khi ứng suất kéo vượt quá giới hạn kéo của
bê tông thì bê tông sẽ bị nứt.
Thay đổi của ứng suất tại tâm khối bê tông và sự phát triển của
cường độ chịu kéo của bê tông được thể hiện ở hình 3.31. Qua biểu


20

đồ nhận thấy rằng: trong giai đoạn tăng nhiệt độ của khối bê tông (60
- 80 giờ đầu đóng rắn) ứng suất nén tại tâm khối tăng dần. Trong giai
đoạn hạ nhiệt (sau 90 - 100 giờ) ứng suất nén giảm dần do có sự cân
bằng với ứng suất kéo bắt đầu xuất hiện trong tâm khối. Trị số của
ứng suất kéo tăng dần tùy theo mức độ chênh lệch nhiệt độ giữa tâm
và biên của khối bê tông (hình 3.31). Nếu giá trị ứng suất kéo này
vượt quá cường độ chịu kéo của bê tông tại cùng thời điểm thì bê
tông sẽ bị nứt.
Căn cứ vào kết quả phân tích có thể dự đoán được qui luật phát
triển cũng như giá trị của nhiệt độ và ứng suất trong bê tông để đưa ra
được phương án thi công kết cấu bê tông hợp lý hoặc các biện pháp
xử lý kịp thời trong quá trình bảo dưỡng phòng chống nứt, đảm bảo
chất lượng cho bê tông khối lớn.
Từ biểu đồ ứng suất tại nút N4759 (nút bề mặt) ta nhận thấy
sau khi đổ bê tông 20 giờ, ứng suất tại bề mặt bắt đầu vượt ứng suất
kéo cho phép, dẫn đến thời điểm này bắt đầu xuất hiện vết nứt. Giai
đoạn này kéo dài đến thời điểm khoảng 130 giờ. Ứng suất cao nhất là
4,46Mpa trùng với thời điểm nhiệt độ trong khối bê tông đạt nhiệt độ
cao nhất.
Từ các biểu đồ trường phân bố ứng suất ta nhận thấy ứng suất
kéo lớn nhất xuất hiện tại bề mặt khối bê tông do chênh lệch nhiệt độ
tại vị trí này là lớn nhất. Vì vậy, nguy cơ xuất hiện vết nứt tại bề mặt
là cao nhất. Điều này chứng tỏ sự thay đổi nhiệt độ trong khối bê
tông ảnh hưởng rất lớn đến ứng suất của khối bê tông.


21

Hình 3.5. Biểu đồ ứng suất tại 2 nút N2745 và N4772

Hình 3.6. Trường ứng suất lúc nhiệt độ cao nhất (72 giờ)
- Chuyển vị (Displacement): Thông qua các biểu đồ trường
chuyển vị, chuyển vị lớn nhất trong khối xảy ra lúc nhiệt độ trong
khối bê tông ở giai đoạn phát triển nhiệt mạnh nhất với giá trị là
5,4mm và xuất hiện tại vị trí biên của khối bê tông từ thời điểm 50-72
giờ. Sau đó, chuyển vị giảm dần theo nhiệt độ giảm dần trong khối bê
tông. Điều này chứng tỏ sự thay đổi nhiệt độ trong khối bê tông ảnh
hưởng rất lớn đến sự chuyển vị của khối bê tông.


22

Hình 3.7. Trường chuyển vị Lúc 140 giờ
- Quan hệ giữa ứng suất kéo cho phép so với ứng suất gây nứt
(Crack ratio)

Hình 3.8. Biểu đồ ứng suất gây nứt tại nút N4759

Hình 3.9. Biểu đồ ứng suất gây nứt tại nút N2727


23
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
1. Kết luận
Qua phân tích và thảo luận ở chương 3, luận văn đi đến một số
kết luận cụ thể như sau:
1.1. Tác động của nhiệt thủy hóa đến bê tông tháp cầu Cửa Đại
là rất lớn, do đó cần xem xét kỹ vấn đề này khi thi công.
1.2. Đối với bệ trụ tháp cầu Cửa Đại với kích thước
25x25x3,5+ 11,5x11,5x1,5m, mác bê tông là 40MPa, nhiệt độ môi

trường là 25oC thì nhiệt độ lớn nhất do nhiệt thủy hóa gây ra tại tâm
bệ trụ tại thời điểm 72 giờ sau khi đổ bê tông là 72,7°C, chênh lệch
nhiệt độ giữa tâm bệ và bề mặt bệ là hơn 40°C. Do đó cần có các biện
pháp đối với nhiệt thủy hóa cho bê tông tháp cầu.
1.3. Ứng suất kéo lớn nhất xuất hiện trong quá trình đổ bê tông xuất
hiện tại bề mặt bệ tháp là 4.46Mpa. Khoảng từ 20h-140h sau khi đổ bê
tông thì ứng suất bê kéo bề mặt vượt quá ứng suất kéo cho phép.
1.4. Tỷ số nứt (Crack ratio) nguy hiểm nhất là giai đoạn từ
20h-120h ở giai đoạn đổ bệ tháp, lúc này tỷ số giữa ứng suất và ứng
suất cho phép là (Crack ratio=0.6-1), chứng tỏ cấu kiện bê tông sẽ bị
nứt nếu không có các biện pháp kiểm soát.
Kết quả phân tích trường nhiệt độ và ứng suất nhiệt bằng
phương pháp PTHH đã mô tả được qui luật thay đổi và xác định
được giá trị của chúng tại các vị trí và thời điểm đóng rắn khác nhau
của bê tông. Kết quả phân tích khẳng định tầm quan trọng của việc
kiểm soát trường nhiêt độ - ứng suất nhiệt để chống nứt nhiệt cho bê
tông khối lớn trong điều kiện khí hậu Việt Nam.
2. Kiến nghị
Và Qua việc phân tích làm rõ các ở chương 3, luận văn đi đến
một số kiến nghị như sau: