(Luận văn thạc sĩ) - Nghiên cứu kết cấu cầu máng xi măng lưới thép ứng suất trước căng trước

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

BÙI VĂN TRUNG

NGHIÊN CỨU KẾT CẤU CẦU MÁNG XI MĂNG LƯỚI THÉP
ỨNG SUẤT TRƯỚC CĂNG TRƯỚC

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI, NĂM 2018


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

BÙI VĂN TRUNG

NGHIÊN CỨU KẾT CẤU CẦU MÁNG XI MĂNG LƯỚI THÉP
ỨNG SUẤT TRƯỚC CĂNG TRƯỚC

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng cơng trình thủy
Mã số: 60580202

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS.TS. VŨ HOÀNG HƯNG

HÀ NỘI, NĂM 2018

LỜI CAM ĐOAN
Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả. Các kết quả
nghiên cứu và các kết luận trong luận văn là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một
nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào. Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã được
thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định.

Tác giả luận văn

Bùi Văn Trung

i


LỜI CÁM ƠN
Sau thời gian thực hiện, với sự nỗ lực của bản thân cùng với sự giúp đỡ tận tình của
các Thầy và các bạn bè đồng nghiệp, Luận văn thạc sĩ: “Nghiên cứu kết cấu cầu
măng xi măng lưới thép ứng suất trước căng trước” đã hoàn thành.
Tác giả xin chân thành cảm ơn đến Ban Giám Hiệu, Phịng đào tạo Đại học và Sau đại
học, Bộ mơn Kết cấu cơng trình, Khoa Cơng trình, Trường Đại học Thuỷ Lợi đã giúp
đỡ tạo điều kiện tốt nhất cho học viên trong thời gian thực hiện Luận văn.
Tác giả xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn, giúp đỡ tận tình của PGS.TS.Vũ Hồng
Hưng, đã tận tình hướng dẫn tác giả và có những ý kiến quý báu trong quá trình thực
hiện Luận văn. Thầy đã tạo điều kiện tốt nhất cho học viên trong quá trình học tập và
hoàn thành Luận văn.
Tác giả chân thành cám ơn các đồng nghiệp và bạn bè đã nhiệt tình giúp đỡ, tạo điều
kiện thuận lợi cho tác giả trong quá trình học tập và thực hiện Luận văn.
Do năng lực bản thân cịn nhiều hạn chế, chắc chắn Luận văn khơng tránh khỏi những
thiếu sót. Tác giả kính mong các Thầy Cơ chỉ bảo, các đồng nghiệp đóng góp ý kiến để

tác giả có thể hồn thiện, tiếp tục nghiên cứu và phát triển đề tài.

ii


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU .............................................................................................................. v
1. Tính cấp thiết của đề tài.............................................................................................. 1
2. Mục tiêu nghiên cứu ................................................................................................... 2
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .............................................................................. 2
4. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu ................................................................. 3
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn .................................................................................... 3
6. Cấu trúc của Luận văn. ............................................................................................... 3

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CẦU MÁNG XI MĂNG LƯỚI THÉP ỨNG
SUẤT TRƯỚC ..................................................................................................... 4
1.1. Tổng quan về cầu máng xi măng lưới thép [6] ....................................................... 4
1.1.1. Khái quát chung ............................................................................................................. 4
1.1.2. Các hình dạng kết cấu cầu máng xi măng lưới thép .................................................... 7
1.1.3. Phương pháp tính toán cầu máng xi măng lưới thép ................................................. 14
1.2. Tổng quan về kết cấu ứng suất trước [6][7][8] ..................................................... 16
1.2.1. Khái quát về cầu máng xi măng lưới thép ứng suất trước ........................................ 16
1.2.2. Phương pháp tạo ứng suất trước ................................................................................. 17
1.2.3. Phương pháp tính tốn cầu máng XMLT-ƯST ......................................................... 19
Kết luận Chương 1........................................................................................................ 23

CHƯƠNG 2 TRẠNG THÁI ỨNG SUẤT BIẾN DẠNG CỦA CẦU MÁNG
XMLT-ƯST CĂNG TRƯỚC ............................................................................ 24
2.1. Đặt vấn đề .............................................................................................................. 24
2.2. Mơ hình CM-XMLT-UST ..................................................................................... 25

2.2.1. Mơ tả kết cấu cầu máng chữ U [6] .............................................................................. 25
2.2.2. Mơ hình hóa kết cấu cầu máng xi măng lưới thép ứng suất trước ........................... 25
2.2.3. Chỉnh sửa mơ hình CM-XMLT-UST ........................................................................ 27
2.2.4. Lập trình tính kết cấu cầu máng bằng ngơn ngữ APDL ............................................ 28
2.2.5. Tính tốn chủn vị, ứng suất của cầu máng xi măng lưới thép ứng suất trước ..... 29
2.2.6. Kiểm tra độ tin cậy của chương trình ......................................................................... 33
2.3. So sánh kết quả ứng suất, chuyển vị CM-XMLT-ƯST căng trước và căng sau ... 34
iii


2.4. Nghiên cứu ảnh hưởng của lực căng cáp đến trạng thái ứng suất biến dạng của cầu
máng ............................................................................................................................. 35
2.4.1. Số liệu tính tốn của CM-XMLT-ƯST căng trước................................................... 35
2.4.2. Bảng tra chuyển vị, ứng suất của cầu máng xi măng lưới thép ứng suất trước....... 36
2.5. Ảnh hưởng của chiều dày đáy máng đến khả năng chịu lực của cầu máng .......... 46
2.6. Lựa chọn sơ bộ kích thước CM-XMLT-ƯST căng trước ..................................... 53
2.6.1. Nguyên tắc chung ........................................................................................................ 53
2.6.2. Lựa chọn kích thước các bộ phận của cầu máng ....................................................... 54
Kết luận Chương 2 ....................................................................................................... 55

CHƯƠNG 3: ÁP DỤNG KẾT CẤU ỨNG SUẤT TRƯỚC CĂNG TRƯỚC
CHO CẦU MÁNG BẢN THÍN – LẠNG SƠN ................................................. 56
3.1. Quy mơ cơng trình ................................................................................................. 56
3.2. Lựa chọn phương án kết cấu thân máng ............................................................... 56
3.2.1. Cơ sở tính tốn ............................................................................................................. 56
3.2.2. Số liệu tính tốn ........................................................................................................... 57
3.2.3. Kết quả tính tốn ......................................................................................................... 58
3.2.4. Chọn thép ứng suất trước ............................................................................................ 58
3.2.5. Tính tổn hao ứng suất trước ........................................................................................ 59
3.2.6. Kết quả tính tốn ứng suất trong thời gian khai thác ................................................ 61

3.2.7. Bố trí cốt thép .............................................................................................................. 62
Kết luận Chương 3 ....................................................................................................... 63

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................................ 64
1. Kết luận .................................................................................................................... 64
2. Kiến nghị .................................................................................................................. 64

TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................. 65

iv


DANH MỤC HÌNH
Hình 1. 1. Sơ đồ kết cấu cầu máng ................................................................................. 4
Hình 1. 2. Hình dạng mặt cắt thân máng ........................................................................ 7
Hình 1. 3. Cấu tạo thân máng ......................................................................................... 8
Hình 1. 4. Hình dạng kết cấu thân máng XMLT chữ U ............................................... 12
Hình 1. 5. Cấu tạo mố biên ........................................................................................... 12
Hình 1. 6. Các loại mố trụ giữa cầu máng .................................................................... 13
Hình 1. 7. Các loại khe co giãn thường dùng ............................................................... 13
Hình 1. 8. Sơ đồ áp lực nước ........................................................................................ 14
Hình 1. 9. Tác dụng của lực căng trước ....................................................................... 17
Hình 1. 10. Phương pháp căng trước ............................................................................ 18
Hình 1. 11. Phương pháp căng sau ............................................................................... 18
Hình 2. 1. Kết cấu thân máng ....................................................................................... 25
Hình 2. 2. Mơ hình cầu máng chữ U nhịp đơn L =10 m .............................................. 30
Hình 2. 3. Mặt cắt ngang CM-XMLT-ƯST ................................................................. 30
Hình 2. 4. Phân bố chuyển vị đứng UY tại mặt cắt giữa nhịp của CM-XMLT-ƯST .. 31
Hình 2. 5. Phân bố ứng suất dọc SZ tại mặt cắt giữa nhịp của CM-XMLT-ƯST ....... 31
Hình 2. 6. Mặt cắt ngang CM-XMLT-ƯST căng trước ............................................... 33

Hình 2. 7. Đường biểu diễn ứng suất SZ theo chiều dài máng ở đáy máng tại mặt cắt
giữa nhịp do tổ hợp tải trọng TH gây ra ....................................................................... 38
Hình 2. 8. Đường biểu diễn chuyển vị UY theo chiều dài L ở đáy máng tại mặt cắt
giữa nhịp do tổ hợp tải trọng TH gây ra ....................................................................... 39
Hình 2. 9. Đường biểu diễn ứng suất SZ theo chiều dài máng ở đáy máng tại mặt cắt
giữa nhịp do tổ hợp tải trọng TH gây ra ....................................................................... 41
Hình 2. 10. Đường biểu diễn chuyển vị UY theo chiều dài L ở đáy máng tại mặt cắt
giữa nhịp do tổ hợp tải trọng TH gây ra ....................................................................... 42
Hình 2. 11. Đường biểu diễn ứng suất SZ theo chiều dài L ở đáy máng tại mặt cắt giữa
nhịp do tổ hợp tải trọng TH gây ra ............................................................................... 44
Hình 2. 12. Đường biểu diễn chuyển vị UY theo chiều dài ở đáy máng tại mặt cắt giữa
nhịp do tổ hợp tải trọng TH gây ra ............................................................................... 45
Hình 2. 13. Đường biểu diễn ứng suất SZ theo chiều dài máng ở đáy máng tại mặt cắt
giữa nhịp do tổ hợp tải trọng TH gây ra ....................................................................... 48

v


Hình 2. 14. Đường biểu diễn chuyển vị UY theo chiều dài máng ở đáy máng tại mặt
cắt giữa nhịp do tổ hợp tải trọng TH gây ra ................................................................. 49
Hình 2. 15. Đường biểu diễn ứng suất SZ theo chiều dài máng ở đáy máng tại mặt cắt
giữa nhịp do tổ hợp tải trọng TH gây ra ....................................................................... 51
Hình 2. 16. Đường biểu diễn chuyển vị UY theo chiều dài máng ở đáy máng tại mặt
cắt giữa nhịp do tổ hợp tải trọng TH gây ra ................................................................. 52
Hình 3.1. Mặt cắt ngang cầu máng Bản Thín .............................................................. 57
Hình 3.2. Bố trí cốt thép cầu máng ỨST và thép cầu máng thường ............................ 62

vi

DANH MỤC HÌNH
Bảng 1.1. Ứng suất kéo trước giới hạn k (daN/cm2) ................................................19
Bảng 1.2. Tổ hợp tổn hao ƯST của các giai đoạn ........................................................ 22
Bảng 2.1. Chuyển vị đứng UY tại mặt cắt giữa nhịp của CM-XMLT-ƯST ................32
Bảng 2.2. Ứng suất tại mặt cắt giữa nhịp của CM-XMLT-ƯST ..................................32
Bảng 2.3. Chuyển vị UY tại mặt cắt giữa nhịp của CM-XMLT-ƯST ......................... 33
Bảng 2.4. Ứng suất SZ tại mặt cắt giữa nhịp của CM-XMLT-ƯST ............................ 33
Bảng 2.5. So sánh ứng suất SZ tại mặt cắt giữa nhịp của CM-XMLT-ƯST ...............34
Bảng 2.6. So sánh chuyển vị đứng UY tại mặt cắt giữa nhịp của CM-XMLT-ƯST ...34
Bảng 2.7. Kích thước mặt cắt ngang CM-XMLT-ƯST căng trước ............................. 35
Bảng 2.8. Ứng suất SZ tại đáy cầu máng ứng với R=0,6 m .........................................37
Bảng 2.9. Chuyển vị UY ở đáy máng tại mặt cắt giữa nhịp của cầu máng với R=0,6 38
Bảng 2.10. Ứng suất SZ tại đáy cầu máng ứng với R=0,8 m .......................................40
Bảng 2.11. Chuyển vị UY ở đáy máng tại mặt cắt giữa nhịp của cầu máng ứng với
R=0,8m ......................................................................................................................... 41
Bảng 2.12. Ứng suất SZ tại đáy cầu máng ứng với R=1,0 m .......................................43
Bảng 2.13. Chuyển vị UY ở đáy máng tại mặt cắt giữa nhịp của cầu máng với R=1,0m . 44
Bảng 2.14. Kích thước mặt cắt ngang CM-XMLT-ƯST căng trước ........................... 46
Bảng 2.15. Ứng suất SZ tại đáy cầu máng ứng với t0=0.2 m ......................................47
Bảng 2.16. Chuyển vị UY ở đáy máng tại mặt cắt giữa nhịp của cầu máng ứng với
t0=0.2m ......................................................................................................................... 48
Bảng 2.17. Ứng suất SZ tại đáy cầu máng ứng với t0=0.25 m ....................................50
Bảng 2.18. Chuyển vị UY ở đáy máng tại mặt cắt giữa nhịp của cầu máng ứng với
t0=0.25m ....................................................................................................................... 51
Bảng 3.1. Bảng xác định tổn hao h5 và h7 .............................................................. 60
Hình 3.2 . Bố trí cốt thép cầu máng ỨST và thép cầu máng thường ........................... 62

vii

DANH MỤC VIẾT TẮT

CTTL

: Cơng trình thủy lợi

XMLT

: Xi măng lưới thép

BTCT

: Bê tông cốt thép

CM-XMLT

: Cầu máng - Xi măng lưới thép

ƯST

: Ứng suất thép

CM-XMLT-ƯST : Cầu máng - Xi măng lưới thép -Ứng suất thép
XMLT-ƯST

: Xi măng lưới thép -Ứng suất thép

viii

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 và bắt đầu được khôi phục lại vào những năm đầu của thập kỷ
40 của thế kỷ trước. Tuy nhiên XMLT của các nước đều ít ứng dụng vào lĩnh vực kênh
máng, cầu máng XMLT trong cơng 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 tốn thiết kế, cơng nghệ chế tạo kênh máng và CM-XMLT nhịp ngắn, nhịp lớn...
Tiếp đến là giáo trình, tài liệu tính tốn XMLT cũng được biên soạn. Các tiêu chuẩn,
quy trình về hướng dẫn tính tốn thiết kế Cầu máng vỏ mỏng XMLT cũng được ban
hành lần lượt các năm 2006 và 2012 [1][2][3][4][5].
Tuy nhiên đến nay việc tính tốn thiết kế và thi cơng 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. Sử dụng kết cấu cầu máng xi
măng lưới thép ứng suất trước nhịp lớn là một giải pháp đem lại hiệu quả cao khi tăng
nhịp của cầu máng.
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.
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
1

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.
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. 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 nghiên cứu của TS. Phạm Cao Tuyến đã xây dựng Chương trình tính tốn mơ
phỏng CM-XMLT-ƯST với mơ hình cáp ƯST đặt thẳng và sử dụng phương pháp
căng sau. Do cáp ƯST được neo tại hai đầu máng, khi căng cáp ƯST trong thép qua
đầu neo truyền vào thân máng, cáp và thành lỗ không tiếp xúc, dây cáp vẫn thẳng
trong khi thân máng bị vồng lên hoặc lõm xuống so với trạng thái ban đầu vì vậy
thường phát sinh ứng suất cục bộ lớn khi tăng chiều dài nhịp máng dẫn đến phá hoại
cục bộ tại đầu neo.
Trong phương pháp căng trước cốt thép được kéo căng trên bệ chuyên dụng và được
neo vào giá đỡ của bệ căng. Sau khi căng cốt thép xong, đổ vữa xi măng và bảo
dưỡng, đợi cho vữa xi măng đạt tới một cường độ chịu lực (thường không dưới 70%
cường độ thiết kế) để bảo đảm cho thép ƯST và vữa xi măng có đủ lực dính, tiếp đến
cắt rời cốt thép khỏi giá căng. Do thép ƯST co lại làm cho cầu máng chịu nén trước
trên toàn bộ chiều dài máng.
Để khắc phục những nhược điểm của phương pháp căng sau đối với cầu máng nhịp
lớn và khắc phục những hạn chế của Chương trình CM-XMLT-ƯST tác giả đã lựa
chọn đề tài luận văn “Nghiên cứu kết cấu cầu máng xi măng lưới thép ứng suất
trước căng trước” sẽ có ý nghĩa khoa học và thực tiễn.
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) căng trước.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của Luận văn là kết cấu CM-XMLT-ƯST căng trước. Đây là

một loại kết cấu được coi là mới đối với CM-XMLT ở Việt Nam, vì vậy rất nhiều vấn
2


đề cần phải nghiên cứu như: nội lực, biến dạng của kết cấu tương ứng với các loại kích
thước, hình dạng cầu máng; mối quan hệ giữa nội lực, biến dạng với lực căng của cáp
ƯST. Do thời gian nghiên cứu cịn hạn chế nên chỉ có thể nghiên cứu trong phạm vi
giới hạn sau:
Phân tích lựa chọn mơ hình tính tốn, chỉnh sửa mơ hình tính tốn đã có, thực nghiệm
trên máy tính nghiên cứu về quy luật ứng suất và biến dạng của CM-XMLT thường và
CM-XMLT-ƯST căng trước.
4. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu
Luận văn 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.
- Phương pháp lý thuyết kết hợp thực nghiệm trên máy tính.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
5.1. Ý nghĩa khoa học
Hồn thiện mơ hình kết cấu CM-XMLT-ƯST căng trước.
Làm sáng tỏ trạng thái ứng suất biến dạng của kết cấu CM-XMLT-ƯST căng trước.
Xác định được ảnh hưởng của một vài tham số đến trạng thái ứng suất biến dạng của
cầu máng.
5.2. Ý nghĩa thực tiễn
Các kết quả nghiên cứu của luận văn có thể áp dụng trong thiết kế và chế tạo cầu máng
cho các cơng trình dẫn nước ở Việt Nam.
6. Cấu trúc của Luận văn.
Chương 1: Tổng quan về cầu máng xi măng lưới thép ứng suất trước.
Chương 2: Nghiên cứu trạng thái ứng suất biến dạng của cầu máng XMLT-UST căng
trước
Chương 3: Áp dụng kết cấu ứng suất trước căng trước cho cầu máng Bản Thín – Lạng

Sơn.
3


CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CẦU MÁNG XI MĂNG LƯỚI
THÉP ỨNG SUẤT TRƯỚC
1.1. Tổng quan về cầu máng xi măng lưới thép [6]
1.1.1. Khái quát chung
Cũng giống như cầu máng BTCT, CM-XMLT cũng là một loại cơng trình dẫn nước
thường được dùng khi các tuyến kênh dẫn nước cần phải vượt qua các vùng địa hình bị
chia cắt như: sơng, suối, thung lũng, kênh rạch, vùng đất trũng… hoặc thay thế cho
một đoạn kênh qua vùng đất thấm nước nhiều.
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 tốn thuỷ lực trong máng, tính tốn dịng
chảy tại cửa vào cửa ra, các biện pháp chống thấm, chống xói lở, trvănh lắng đọng bùn
cát… trong luận văn này sẽ không đề cập đến. Luận văn chủ yếu đi sâu vào các phần
nghiên cứu nội lực kết cấu thân máng XMLT.
9

1

7

3

5

8

4

2
10
6
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

Hình 1. 1. Sơ đồ kết cấu cầu máng
Kết cấu thân máng được phân thành hai loại: kiểu dầm và kiểu vịm, thơng thường
dùng kiểu dầm. Thân máng kiểu dầm có đặc điểm chịu lực như một dầm có gối đỡ là
các trụ giữa và mố biên. Tuỳ theo vị trí các gối tựa và vị trí các khớp nối, thân máng
kiểu dầm lại được phân thành hai loại: loại dầm đơn, loại dầm một nhịp có mút thừa
hoặc dầm liên tục. Đối với cầu máng BTCT chủ yếu sử dụng nhịp kiểu dầm đơn
thường không vượt quá 10 m, và nhịp cầu máng kiểu mút thừa (khoảng cách giữa hai
gối đỡ) thường không quá 25 m. Với CM-XMLT thường chỉ sử dụng nhịp kiểu dầm
4


đơn với chiều dài khơng q 6 m. Do đó cần phải nghiên cứu thêm các hình thức kết
cấu thân máng để có thể tăng chiều dài nhịp máng, giảm trọng lượng bản thân, tiết
kiệm vật liệu...

5


6


1.1.2. Các hình dạng kết cấu cầu máng xi măng lưới thép
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… (hình 1.2). Chọn hình thức mặt
cắt thân máng phải dựa vào tính tốn thủy lực, vật liệu làm cầu máng, phương pháp thi
cơng, 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.

(a)

(b)

(c)

(d)

a. Hình chữ nhật; b. Hình thang; c. Hình chữ U; d. Hình elip;

(e)
e. Hình parabơn

Hình 1. 2. Hình dạng mặt cắt thân máng
Cầu máng mặt cắt chữ nhật và hình thang có cấu tạo đơn giản, dễ thi công, dễ nối tiếp
với đoạn cửa vào và cửa ra. Cầu máng chữ U có trạng thái thủy lực tốt hơn cầu máng
7


hình chữ nhật, khả năng chịu lực của cầu máng chữ U cũng tốt hơn, trọng lượng của
cầu máng này khá nhẹ, nên rất thuận tiện cho việc đúc sẵn và lắp ghép. Các mặt cắt
khác ít dùng vì tính tốn và thi cơng khá phức tạp.
Cầu máng vỏ trụ mỏng có khả năng chịu lực theo phương dọc lớn hơn nhiều phương
ngang. Khi trên kênh khơng có u cầu về vận tải thủy, để tăng thêm độ cứng của

phương ngang, tăng độ ổn định tổng thể và cục bộ của máng, thường bố trí các thanh
giằng ngang và các sườn gia cường dọc (tai máng). Khi có yêu cầu về vận tải thủy
khơng thể bố trí các thanh giằng ngang, thì cần bố trí các sườn gia cường ngang hoặc
tăng thêm chiều dày thành máng (hình 1.3).
Luận văn đi sâu nghiên cứu cho loại mặt cắt ngang thân máng XMLT có dạng chữ U.

2
2
1

1
3

1. Sườn dọc (tai máng); 2. Giằng ngang; 3. Sườn ngang

Hình 1. 3. Cấu tạo thân máng

8


9


10


11


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 trịn, có thêm hai
thành bên thẳng đứng (hình 1.4). 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. Máng
chữ U được phân thành hai loại: khơng có thanh giằng ngang (hình 1.4a) và loại có

a

a

bg

R

R1

Ro

do

so

so

(a)

t
do

so

to

t

to

so

a

Do

H

R1

Ro

R

H

c

f

f

Do

hg

a

b

thanh giằng ngang (hình 1.4b).

(b)

a. Máng khơng có thanh giằng ngang;

b. Máng có thanh giằng ngang

Hình 1. 4. Hình dạng kết cấu thân máng XMLT chữ U
1.1.2.3. Hình dạng kết cấu gối đỡ
Gối đỡ thân máng gồm có gối đỡ mố biên và gối đỡ trụ giữa (hình 1.5). Mố biên ngồi
tác dụng là gối đỡ thân máng nó cịn là liên kết nối tiếp đầu máng với đoạn cửa vào,
cửa ra của kênh dẫn, cịn trụ giữa chỉ có chức năng là đỡ thân máng.
2

3
1
5
4

6

1. Mố biên; 2. Cửa vào; 3. Thân máng; 4. Đất đắp; 5. Thiết bị thốt nước. 6. Mặt đất

Hình 1. 5. Cấu tạo mố biên
12


Trụ giữa kiểu trọng lực có thể bằng gạch xây, bằng đá xây hoặc bê tông, thường dùng
cho những trụ có chiều cao dưới 10 m, trọng lượng bản thân của trụ kiểu trọng lực
thường rất lớn, do đó địi hỏi nền phải có sức chịu tải cao (hình 1.6a). Trụ đỡ kiểu
khung có hai loại: khung đơn (hình 1.6b) và khung kép (hình 1.6c) thường dùng cho
các trụ cao dưới 20 m. Kiểu hỗn hợp có phần dưới kiểu trọng lực, còn phần trên kiểu
khung, chiều cao của trụ hỗn hợp có thể đến 25 m (hình 1.6d). Móng của mố trụ có thể
đặt trực tiếp trên nền tự nhiên, khi nền yếu có thể đặt trên nền cọc.

(a)

(b)

(c)

(d)

a. Trụ kiểu trọng lực; b. Trụ kiểu đơn; c. Trụ kiểu khung kép; d. Trụ kiểu hỗn hợp

Hình 1. 6. Các loại mố trụ giữa cầu máng
1.1.2.4. Hình thức kết cấu khe co giãn
Giữa các đoạn trong thân máng cần phải bố trí khe co giãn, khoảng cách giữa các khe
co giãn từ (1220) m. Vật liệu làm khe co giãn vừa có tính co giãn, vừa có khả năng
chống rị rỉ nước (hình 1.7).
20÷25cm

2

1

15÷20cm

6÷8

6÷8

2

6÷8

6÷8

15÷20cm

5

4

4

4÷5

4÷5

3

1. Tấm cao su hay chất dẻo; 2. Vữa cát nhựa đường; 3. Dây đay tẩm nhựa đường; 4. Vải tẩm
nhựa đường hay sợi vải thuỷ tinh tẩm nhựa đường (6 lớp); 5. Vữa cát êpôxy dày 2mm

Hình 1. 7. Các loại khe co giãn thường dùng

13


1.1.3. Phương pháp tính tốn cầu máng xi măng lưới thép
1.1.3.1. Tải trọng và tổ hợp tải trọng
Tải trọng tác dụng lên cầu máng gồm có:
- Trọng lượng bản thân cầu máng.
- Áp lực nước ứng với mực nước thiết kế và mực nước kiểm tra được thể hiện ở
hình 1.8.

Hình 1. 8. Sơ đồ áp lực nước
- Tải trọng người qua lại trên cầu máng thường lấy 2,5 kN/m2.
- Áp lực gió ở độ cao z so với mốc chuẩn, xác định theo cơng thức:
W = Wo.k.c (kN/m2)
trong đó:

(1-1)

Wo – áp lực gió cơ bản lấy theo bản đồ phân vùng lực gió (kN/m2);
k – hệ số xét tới sự thay đổi áp lực gió theo độ cao;
c – hệ số khí động.

- Lực ma sát ở gối đỡ: lực ma sát xuất hiện theo phương dọc máng tác dụng lên
trụ khi thân máng bị co ngót hay dãn nở do nhiệt độ thay đổi được tính theo cơng thức:

T = G.f
trong đó:

(kN)

G – áp lực tác dụng lên gối đỡ (kN);
f – hệ số ma sát giữa thân máng và gối đỡ.

14

(1-2)


- Áp lực thủy động: Áp lực thủy động tác dụng lên một đơn vị diện tích trụ được
tính theo cơng thức (1-3) và có điểm đặt của hợp lực ở 2/3 độ sâu mực nước thiết kế:

.v 2
(kN/m2)
P  k1
2g
trong đó:

(1-3)

v - vận tốc dịng chảy tính tốn (m/s);
 - trọng lượng riêng của nước (kN/m3);
g - gia tốc trọng trường (g=9,81 m/s2);
k1 - hệ số phụ thuộc vào hình dạng của trụ.

- Các tải trọng khác: động đất, tải trọng cẩu lắp, lực va chạm của vật nổi, các lực

này thì tùy trường hợp cụ thể mà xét.
Tổ hợp tải trọng: Phân tích nội lực và tính tốn cốt thép thân máng XMLT được thạc
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 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 xi măng lưới thép
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 hầu như khơng 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 địi hỏi nội lực có độ chính xác
cao, cần phân tích nội lực thân máng theo bài tốn vỏ mỏng khơng gian. Tốt nhất là
dùng phương pháp phần tử hữu hạn và giải theo chuyển vị, hiện nay có nhiều phần
mềm mạnh cho phép phân tích các kết cấu vỏ có dạng bất kỳ và chịu tải trọng tuỳ ý
như SAP2000 hay ANSYS, song địi hỏi người sử dụng phải có hiểu biết nhất định về
lý thuyết vỏ mỏng và phương pháp phần tử hữu hạn.

15