NGHIÊN CỨU ỨNG SUẤT BIẾN DẠNG KHÔNG GIAN TRONG MỐ TRỤ CỬA VAN CUNG CÓ KỂ ĐẾN SỰ LÀM VIỆC CỦA CỐT THÉP.

- 1 -
NGHIÊN CỨU ỨNG SUẤT BIẾN DẠNG KHÔNG GIAN TRONG MỐ TRỤ CỬA
VAN CUNG CÓ KỂ ĐẾN SỰ LÀM VIỆC CỦA CỐT THÉP.
Ks. Phạm Hải Vinh – Công ty CP Tư vấn điện lực dầu khí Việt Nam
TS. Nguyễn Cảnh Thái – Trường Đại học Thủy lợi

TÓM TẮT:
Trong thực tế để có thể xác định được ứng suất và từ đó tính được hàm lượng cốt thép
dùng cho kết cấu công trình, người ta mới chỉ mô hình hóa quá trình làm việc của bê tông mà
chưa đề cập đến ảnh hưởng của cốt thép nằm trong kết cấu đó. Bài viết giới thiệu một số kết
quả nghiên cứu về ảnh hưởng của cốt thép tới sự phân bố ứng suất trong bê tông chịu lực
phức tạp nhằm làm rõ khả năng chịu lực của cốt thép trong kết cấu và ảnh hưởng của nó tới
ứng suất trong bê tông. Các kết quả thu được từ nghiên cứu của tác giả cho thấy ứng suất
trong bê tông khi tính đến ảnh hưởng của cốt thép (bao gồm cả vị trí và cách bố trí) có sự sai
khác đến 34.17% so với trường hợp chỉ xét quá trình làm việc của bê tông trong kết cấu công
trình. Từ kết quả này cho thấy sự cần thiết phải tính đến sự ảnh hưởng của việc bố trí cốt thép
trong các cấu kiện bê tông phức tạp.
1. ĐẶT VẤN ĐỀ.
Tại đầu mối các Công trình thủy lợi - thủy điện, có thể nói công trình tháo có cửa van
cung là một hạng mục công trình lớn cả về quy mô và tầm quan trọng. Trong đó kết cấu phần
tai van đóng vai trò quan trọng không kém, bởi tai van phải chịu toàn bộ áp lực nước truyền
từ cửa van, đồng thời khi cửa van vận hành áp lực nước này tại mỗi thời điểm khác nhau lại
diễn biến rất phức tạp.
Ứng suất mố trụ cửa van cung đã được mô tả và thiết kế rất nhiều bằng các công cụ
khác nhau. Tuy nhiên người ta mới chỉ mô tả quá trình làm việc của khối bê tông để từ đó xác
định được ứng suất và lượng cốt thép cần dùng. Bê tông lúc đó cũng chỉ là một vật liệu chịu
nén đơn thuần. Trên thực tế, vật liệu chính của kết cấu ngoài bê tông ra còn phải kể tới cốt
thép. Các thanh thép trong khối bê tông cùng tham gia chịu lực với vai trò có ứng suất trước
hoặc không ứng suất trước và có ảnh hưởng nhiều tới sự phân bố ứng suất trong bê tông. Nếu
chỉ rõ ra được cốt thép làm việc cùng với bê tông như thế nào trong kết cấu thì chúng ta sẽ
tính chính xác được lượng thép cần để tham gia chịu lực và bố trí thép hợp lý hơn.

Hiện nay trên thế giới có
hai quan điểm bố trí cốt thép
trong trụ pin: Một là quan điểm
bố trí thép hình rẻ quạt,(Hình 1a)
cốt thép được bố trí dựa theo sự
phân bố của ứng suất trong trụ
pin. Trường phái này được sử
dụng rộng rãi trên thế giới bởi
các nước Đông Âu. Du nhập vào
Việt Nam do Liên Xô, đã trợ
giúp lớn về mặt kỹ thuật cho các
công trình lớn của nước ta trước
đây. Các công ty tư vấn của ta
phần lớn sử dụng phương pháp
bố trí thép này để thiết kế trụ pin van cung. Đây là phương án bố trí thép quen thuộc đối với
chúng ta, tuy nhiên nhược điểm là lượng thép bố trí quá nhiều. Hai là quan điểm bố trí thép
song song theo hướng chịu lực chính trong trụ pin, có ứng lực trước hoặc không ứng lực

a) b)

Hình 1: Bố trí thép trong trụ van cung theo hai quan điểm
Liên hệ: Phạm Hải Vinh. Sđt: 0979761579
- 2 -
trước.(Hình 1b). Quan điểm này phổ biến ở các nước Tây Âu, đặc biệt là Mỹ, đặc điểm của
phương án bố trí này là các thanh thép đã chịu một phần ứng suất trước, do vậy khi trụ pin
làm việc, phần ứng suất này được giải phóng và bù phần ứng suất trụ pin phải chịu do tải
trọng. Quan điểm này tỏ ra hữu hiệu trong việc tiết kiệm cốt thép, cách bố trí cũng đơn giản
hơn. Điều đó làm tăng hiệu quả về kinh tế và đồng thời giúp cho kích thước cấu kiện bê tông
không quá lớn và nặng nề, tăng tính thẩm mỹ cho công trình.

Hình 2: Hình ảnh một công trình bố trí thép theo quan điểm thứ hai
2. PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH, MÔ HÌNH TÍNH VÀ PHẦN MỀM SỬ DỤNG.
Phân tích bằng phần tử hữu hạn (Finite Element Analysis, FEA) là một phương pháp số
dùng để mô phỏng các điều kiện tải trọng lên một hệ vật lý và xác định ứng xử của hệ .[1].
Phương pháp phân tích bằng phần tử hữu hạn (PTHH) được sử dụng rộng rãi như là một
công cụ thiết kế cho việc phân tích tuyến tính cũng như phi tuyến của vật liệu. Để làm được
như vậy, chúng phụ thuộc vào hai nhân tố chủ yếu sau. Thứ nhất, khi quá trình tính toán tăng
lên kết hợp với vấn đề phi tuyến, khả năng tính toán là điều bắt buộc. Thứ hai, trước khi
phương pháp PTHH có thể sử dụng trong tính toán thiết
kế, độ chính xác cần được chứng minh. Việc cải tiến đặc
trưng phần tử và những kinh nghiệm thu được về vấn đề
này của nhiều tác giả có thể khẳng định rằng phân tích
PTHH vào bài toán phi tuyến vật liệu có thể thực hiện
với độ tin cậy cao.Vấn đề còn lại là hiệu quả kinh tế khi
lựa chọn ứng dụng vào sản xuất

Hình 3: Các mô hình bố trí thép trong
d
ầm BTCT (Tavarez2001)
[2].
Giả thiết của phương pháp: Vật liệu là một môi
trường liên tục, đồng nhất, đẳng hướng, ứng suất và biến
dạng tuân theo định luật Hooke trong phạm vi đàn hồi
của vật liệu.
Năm 2001, Tavarez đã đề xuất ba kỹ thuật mô
phỏng cốt thép gia cố trong cấu kiện BTCT bằng mô
hình PTHH (Hình 3) mô hình tương tự, mô hình xen
kẹp, mô hình rời rạc mô phỏng thép trong bê tông.
- Mô hình tương tự (Hình 3a) cho phép chia lưới

PTHH cốt thép dưới dạng một miền đều chạy dọc theo
các phần tử bê tông. Điều này được áp dụng cho các mô
hình có kích thước lớn nên cốt thép không đóng vai trò
quan trọng trong sự làm việc tổng thể của kết cấu
- Mô hình xen kẹp (Hình 3b) đã khắc phục được
sự giới hạn trong việc phân chia phần tử bê tông do độ
Liên hệ: Phạm Hải Vinh. Sđt: 0979761579
- 3 -
cứng của thép được tính toán riêng biệt trong các phần tử bê tông. Mô hình này được xây
dựng trên nguyên tắc giữ cho các chuyển vị của cốt thép tương ứng với các phần tử của bê
tông xung quanh. Khi hàm lượng cốt thép phức tạp thì mô hình này rất hiệu quả. Tuy nhiên,
mô hình này làm tăng số nút và số bậc tự do trong dầm, từ đó làm cho thời gian và chi phí
tính toán tăng lên.
- Cốt thép trong mô hình rời rạc (Hình 3c) sử dụng phần tử thanh hoặc phần tử dầm liên
kết với các phần tử bê tông tại các nút lưới. Vì vậy, cả bê tông và cốt thép được chia lưới
chung với nhau một số nút. Nhược điểm của mô hình này là việc chia lưới của bê tông phụ
thuộc vào việc chia lưới của cốt thép và thể tích phần bê tông mà cốt thép chiếm chỗ không bị
trừ đi trong tổng thể tích khối bê tông.
Cũng vào năm 2001, Fanning đã tiến hành mô hình hoá sự làm việc của cốt thép theo
mô hình rời rạc và mô hình tương tự trong dầm BTCT. Và ông đã nhận thấy rằng mô hình rời
rạc là mô hình hợp lý nhất trong công việc mô hình hoá cốt thép.
Trong bài viết này, tác giả sử dụng mô hình rời rạc để mô phỏng các phần tử bê tông và
phần tử cốt thép. Đồng thời dùng chương trình ANSYS 10.0 để phân tích cấu kiện, được đề
cập ở các tài liệu [1,2].
Mô hình hóa cấu kiện:
Cấu kiện bê tông: Trụ pin đập tràn cao 35m tính từ mặt tràn, bề dầy trụ pin là 3m,
khoang tràn rộng 22m.

Để mô hình hoá trụ pin bê tông cốt
thép, ta lựa chọn 3 phần tử chính để mô tả

bê tông, cốt thép chịu lực và trục dầm
chốt xoay bằng thép đặt ở tai van tại vị trí
đặt tải trọng để hạn chế ứng suất tập trung
tại điểm này. Các loại phần tử sử dụng
cho mô hình này được thể hiện ở Bảng 1
Phần tử Solid 65 (3D Reinforced Concrete Solid) được sử dụng mô hình hoá bê tông.
lid 45 (3D Structural Solid) được sử dụng để mô hình hoá trục tai van bằng
ợc

ết gi

Đây là phần tử có 8 nút với 3 bậc tự do tại mỗi nút theo các phương x, y, z. Phần tử Solid 65
có thể chuyển vị đàn hồi, nứt theo 3 phương và dùng để mô tả vật liệu bê tông có chứa hàm
lượng cốt thép.
Phần tử So
thép ở vị trí đặt tải trọng nhằm không làm xuất hiện ứng suất tập trung tại các vị trí này. Phần
tử Solid 45 có 8 nút với 3 bậc tự do tại mỗi nút theo các phương x, y, z. Solid45 này dùng để
mô tả các kết cấu thép
Phần tử Link 8 đư
sử dụng để mô hình hoá
cốt thép gia cố bên trong
dầm. Đây là phần tử thanh
3D có 2 nút với 3 bậc tự
do theo 3 phương x, y, z.
Mô hình hóa sự liên
k ữa phần tử bê tông
và cốt thép như Hình 4

a) Thép hình rẻ quạt b) Thép song song
Hìn ết giữa h 4: Mô hình sự liên k phần tử bê tông và

thép hai phương án bố trí thép
Bảng 1: Các loại phần tử trong mô hình
Loại phần tử Phần tử trong ANSYS
Bê tông Solid 65
Tấm thép gia cố Solid 45
Cốt thép Link 8
Liên hệ: Phạm Hải Vinh. Sđt: 0979761579
- 4 -


a) Thép hình rẻ quạt b) Thép song song
Hình 5: Chia lưới phần tử hai phương án bố trí thép
Điều kiện biên và tải trọng:
Để bảo đảm mô hình hoạt động giống như cấu kiện bê tông hoạt động trong thực tế, các
điều kiện biên phải được đặt lên các mặt phẳng để giới hạn chuyển vị không mong muốn. Các
nút nằm trên mặt phẳng hai bên biên tràn được giới hạn chuyển vị theo phương vuông góc với
mặt này. Vì vậy, với các nút nằm trên mặt phẳng trái và phải của đập tràn sẽ có điều kiện
chuyển vị theo phương UZ=0. Do không kể đến sự làm việc của nền, nên toàn bộ phần đáy
của đập tràn coi như ngàm.
Có hai tổ hợp lực: Tổ hợp cơ bản và tổ hợp đặc biệt. Nhận thấy với tổ hợp đặc biệt,
ngoài tổ hợp lực cơ bản ra công trình còn chịu thêm lực xô ngang và thẳng đứng bất lợi tác
động đến của động đất (Trong đó xô ngang rất nguy hiểm cho công trình). Ta chọn trường
hợp tải trọng tổ hợp đặc biệt để tính toán. Lực theo phương ngang Px=3920T, phương đứng
Py=1181T.
Tải trọng tập trung tại van được truyền đến 1 nút ở trọng tâm mặt ngoài của trục xoay
bằng thép. (Bỏ qua áp lực nước thượng lưu lên mặt trước trụ pin).
3. KẾT QUẢ TÍNH.
* Kết quả tìm tổ hợp tải trọng nguy hiểm đối với trụ pin

a) Cả hai cửa van cùng đóng b) Một bên đóng, một bên mở
Hình 6: Kết quả ứng suất một bên thành trụ pin theo phương X
Liên hệ: Phạm Hải Vinh. Sđt: 0979761579
- 5 -
Bảng 2: Bảng kết quả ứng suất max theo các phương của hai trường hợp tính tải trọng
Trường hợp làm việc của cửa van
σ
x
max
σ
y
max
Sai số theo phương x
Cửa van một bên mở, một bên đóng 650.02 230.33 +29%
Cửa van hai bên cùng đóng 461.25 254.49
Nhận xét: Theo phương y, ứng suất không thay đổi nhiều, tuy nhiên với phương x sai số
của trường hợp một bên đóng một bên mở so với hai bên cùng đóng là +29%.
* Kết quả so sánh trường hợp mô hình hóa vật liệu là BT và Bê tông có kể đến sự làm việc
của cốt thép (Thép bố trí hình rẻ quạt)

* Kết quả so sánh trường hợp bố trí thép hình rẻ quạt và thép song song có dự ứng lực trước

a) Mô hình hóa là BTCT b) Mô hình hóa là bê tông có kể thêm cốt thép
Hình 7: Kết quả ứng suất một bên thành trụ pin theo phương X


a) Thép hình rẻ quạt b) Thép song song dự ứng lực
Hình 8:
Kết quả ứng suất một bên thành trụ pin theo phương XY
Trong phương án mô hình hoá vật liệu là BTCT thông thường, phần tử Solid65 được

gắn các đặc trưng vật liệu của bê tông cốt thép.
Phương án mô hình hoá vật liệu với các phần tử Solid65 được gắn các đặc trưng vật liệu
là bê tông, các phần tử link8 được gắn đặc trưng vật liệu là các thanh cốt thép φ25 bố trí theo
hình nan quạt. Việc bố trí thép số lượng thép 6φ25 ≈ 30cm
2
(cả hai bên thành là 60cm
2
) chỉ
mang tính định tính, tuy nhiên điều này cũng sẽ chỉ rõ được sự làm việc đồng thời của các
thanh thép trong cấu kiện bê tông.
Liên hệ: Phạm Hải Vinh. Sđt: 0979761579