Nghiên cứu ảnh hưởng hình dạng khối rỗng đến ứng xử của phần cầu nối dạng bản rỗng (của cầu kết nối khu dân cư him lam)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

PHAN LÊ THANH

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG HÌNH DẠNG KHỐI RỖNG
ĐẾN ỨNG XỬ CỦA PHẦN CẦU NỐI DẠNG BẢN RỖNG
(của cầu kết nối khu dân cư Him Lam)
Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng Cơng trình giao thơng
Mã ngành:

60 58 02 05

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 01 năm 2020


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
***
Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. LÊ BÁ KHÁNH.

Cán bộ chấm nhận xét 1: TS. NGUYỄN DUY LIÊM

Cán bộ chấm nhận xét 2: TS. MAI LỰU

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM
ngày 11 tháng 01 năm 2020.
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

1.

Chủ tịch hội đồng: PGS.TS. LÊ THỊ BÍCH THỦY

2.

Thư ký hội đồng:

TS. NGUYỄN DANH THẮNG

3.

CB Phản biện 1:

TS. NGUYỄN DUY LIÊM

4.

CB Phản biện 2:

TS. MAI LỰU

5.

Uỷ viên hội đồng:

TS. LÊ BÁ KHÁNH

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên
ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).

Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV

Trưởng Khoa Kỹ thuật Xây dựng

PGS.TS. Lê Thị Bích Thủy

PGS.TS. Lê Anh Tuấn


– ii –

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: PHAN LÊ THANH .............................................. MSHV: 1770096
Ngày, tháng, năm sinh: 26/8/1984 .............................................Nơi sinh: Ninh Thuận
Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng Cơng trình giao thơng .......... Mã số : 60 58 02 05
I. TÊN ĐỀ TÀI:
NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG HÌNH DẠNG KHỐI RỖNG ĐẾN ỨNG XỬ CỦA
PHẦN CẦU NỐI DẠNG BẢN RỖNG (của cầu kết nối khu dân cư Him Lam)
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
1. Tổng quan về cầu bản rỗng.
2. Tổng quan các nghiên cứu về cầu bản rỗng.
3. Tổng quan lý thuyết tính tốn về cầu bản rỗng.

4. Phân tích ứng xử của phần cầu nối dạng bản rỗng của cầu kết nối khu dân cư Him
Lam.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 19/08/2019
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 08/12/2019
V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. LÊ BÁ KHÁNH
Tp. HCM, ngày 03 tháng 12 năm 2019
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

TS. Lê Bá Khánh

PGS.TS. Nguyễn Mạnh Tuấn

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

PGS.TS. Lê Anh Tuấn
HV: Phan Lê Thanh

MSHV: 1770096


–v–

LỜI CẢM ƠN
Trước tiên tôi xin gửi lời cảm ơn đến tồn thể q thầy cơ khoa Kỹ thuật Xây
dựng trường đại học Bách Khoa đã tận tình giảng dạy giúp tôi hiểu biết sâu rộng hơn
về kiến thức chuyên mơn trong suốt thời gian tham dự khóa cao học.
Và đặc biệt tôi xin chân thành cảm ơn giáo viên hướng dẫn của tơi là thầy TS.
Lê Bá Khánh vì đã dành nhiều thời gian, công sức để định hướng, hỗ trợ và đồng

hành cùng tôi trong suốt thời gian thực hiện luận văn thạc sỹ.
Sau cùng tôi muốn cảm ơn gia đình, bạn bè đã ln ủng hộ, động viên, giúp đỡ
tơi hồn thành khóa học này.

HV: Phan Lê Thanh

MSHV: 1770096


– vi –

TÓM TẮT LUẬN VĂN
Cầu bản dạng khối rỗng ngày nay đang được sử dụng rộng rãi. Chúng có ưu
điểm là tiết kiệm vật liệu, giảm tĩnh tải nhưng vẫn đảm bảo khả năng chịu lực. Các
khối rỗng được đưa vào sử dụng có nhiều loại khác nhau như hình trịn, hình chữ
nhật, hình elip, hình capsule… và việc tìm hiểu xem hình dạng nào tạo ra kết cấu tốt
hơn là điều cần thiết.
Đề tài này tập trung nghiên cứu ứng xử của bản dạng khối rỗng khi thay đổi
hình dạng và kích thước khối rỗng. Phương pháp nghiên cứu là phương pháp phần tử
hữu hạn với mơ hình bản 3D được lấy từ một cơng trình cầu thực tế. Việc mô phỏng
được tiến hành trên phần mềm PTHH Abaqus CAE. Các kết quả được phần mềm tính
tốn theo phân tích tuyến tính và được đưa ra nghiên cứu bao gồm sự phân bố ứng
suất theo phương ngang, phương dọc, sự tập trung ứng suất Von – Mises và chuyển
vị thẳng đứng của bản tại một số vị trí nguy hiểm. Qua đó hiểu thêm được về cách
làm việc của bản dạng khối rỗng và xác định được hình dạng khối rỗng tốt nhất để từ
đó có thể vận dụng cho các cơng trình có kết cấu tương tự sau này.

HV: Phan Lê Thanh

MSHV: 1770096

– vii –

ABSTRACT
Voided slab bridge decks are now widely used. They have many advantages
such as saving materials, reducing dead load of slabs but still ensuring bearing
capacity. The voids within the slab are many different in shapes such as circular,
rectangular, elliptical, capsular shape... and it is necessary to find out an optimal void
shape.
This study focuses on surveying the structural behavior of voided slab bridge
decks when changing the shape and size of voids. The analysis method is a finite
element method with a 3D voided slab model which taken from an actual bridge
construction. The simulation was conducted on the Abaqus/CAE software. The
results are calculated by the software in a linear material and are analyzed, including
the transverse, longitudinal stress distribution, the Von - Mises stress concentration
and the deflection of the voided slab at critical locations. Thereby, we can gain a
better understanding of the structural behavior of voided slab bridge decks and
determine the optimal void shape so that it can be applied to similar structural
construction later.

HV: Phan Lê Thanh

MSHV: 1770096


– viii –

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu khoa học độc lập của tơi. Các số

liệu trong luận án là trung thực và có nguồn gốc rõ ràng. Các kết quả của luận án chưa
từng được cơng bố trong bất cứ cơng trình khoa học nào. Tác giả hồn tồn chịu trách
nhiệm về tính xác thực và nguyên bản của luận án.

Tác giả

Phan Lê Thanh

HV: Phan Lê Thanh

MSHV: 1770096


– ix –

MỤC LỤC
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ .......................................................................... ii
LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................v
TÓM TẮT LUẬN VĂN ........................................................................................... vi
ABSTRACT ............................................................................................................. vii
LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................... viii
MỤC LỤC ................................................................................................................ ix
DANH MỤC CÁC BẢNG ..................................................................................... xii
DANH MỤC CÁC HÌNH ...................................................................................... xii
MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1
1. Lý do chọn đề tài .....................................................................................................1
2. Mục đích nghiên cứu ...............................................................................................1
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ...........................................................................1
a. Đối tượng nghiên cứu .......................................................................................1
b. Phạm vi nghiên cứu ..........................................................................................1

4. Phương pháp nghiên cứu.........................................................................................2
5. Ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn của đề tài .........................................................2
6. Nội dung đề tài ........................................................................................................2
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU ..................................3
1.1 Giới thiệu chung về cầu bản có khối rỗng ............................................................3
1.2 Các hình thức của bản khối rỗng...........................................................................4
1.2.1 Cầu bản có khối rỗng (voided slab bridge decks) .......................................4
1.2.2 Cầu bản dạng sàn bong bóng (Bubble Deck slabs) .....................................5
1.2.3 Tấm bê tơng lõi rỗng (Hollow-core slabs) ..................................................6
1.3 Tình hình nghiên cứu trên thế giới ........................................................................6
1.3.1 Áp dụng lý thuyết tấm trực hướng ..............................................................6
1.3.2 Ứng xử và phân tích bản sàn bê tơng dạng bản rỗng ................................11
1.3.3 Tính tốn độ cứng của bản sàn dạng bản rỗng ..........................................14

HV: Phan Lê Thanh

MSHV: 1770096


–x–

1.3.4 Diện tích tương đương của các bản sàn khối rỗng ....................................17
1.4 Tình hình nghiên cứu trong nước ........................................................................20
1.4.1 Phân tích thực nghiệm của sàn BubbleDeck dùng khối rỗng hình elip ....20
1.4.2 Nghiên cứu quy trình quản lý chất lượng thi công sàn BubbleDeck ........21
1.5 Nhận xét của chương ...........................................................................................22
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT .........................................................................23
2.1 Ứng xử kết cấu của bản sàn dạng khối rỗng .......................................................23
2.1.1 Lý thuyết tấm trực hướng ..........................................................................23
2.1.2 Ảnh hưởng của khối rỗng đến ứng xử kết cấu ..........................................26

2.1.2.1 Ứng xử uốn .............................................................................................26
2.1.2.2 Ứng xử cắt ..............................................................................................28
2.1.2.3 Biến dạng của mặt cắt ngang dạng hộp ..................................................28
2.1.3 Phân tích kết cấu của bản sàn khối rỗng ...................................................30
2.2 Phương pháp Grillage .........................................................................................31
2.3 Ví dụ về mơ hình Grillage cho cầu bản dạng khối rỗng .....................................34
2.4 Mơ hình phần tử hữu hạn của bản sàn cầu dạng khối rỗng ................................37
2.5 Nhận xét của chương ...........................................................................................38
CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG HÌNH DẠNG KHỐI RỖNG ...............39
3.1 Giới thiệu.............................................................................................................39
3.1.1 Mục đích: ...................................................................................................39
3.1.2 Phạm vi và phương án khảo sát:................................................................39
3.1.2.1 Phạm vi khảo sát: ..............................................................................39
3.1.2.2 Phương án khảo sát: ..........................................................................39
3.2 Đối tượng nghiên cứu..........................................................................................40
3.2.1 Giới thiệu về cầu kết nối khu dân cư HimLam: ........................................40
3.2.2 Tải trọng tác dụng trên nhịp chính ............................................................44
3.2.3 Bố trí gối cầu nhịp chính ...........................................................................45
3.3 Thiết lập mơ hình trên phần mềm PTHH Abaqus CAE .....................................46

HV: Phan Lê Thanh

MSHV: 1770096


– xi –

3.3.1 Các thông số cơ bản của mô hình ..............................................................46
3.3.1.1 Thơng số về vật liệu ..........................................................................46
3.3.1.2 Loại phần tử và kích thước lưới chia ................................................47

3.3.1.3 Thơng số về hoạt tải ..........................................................................48
3.3.2 Các bước mơ hình hóa trên phần mềm Abaqus CAE ...............................48
3.3.2.1 Xây dựng cấu kiện ............................................................................48
3.3.2.2 Định nghĩa vật liệu và thuộc tính mặt cắt .........................................50
3.3.2.3 Tạo mơ hình hồn chỉnh....................................................................50
3.3.2.4 Điều kiện biên và tải trọng ................................................................51
3.3.3 Phân tích các kết quả thu được từ phần mềm Abaqus CAE .....................51
3.3.3.1 Lựa chọn kích thước lưới chia (Mesh size) ......................................51
3.3.3.2 Lựa chọn hướng hoạt tải ...................................................................53
3.3.3.3 Phân bố ứng suất theo phương dọc và ngang tại những vị trí nguy
hiểm ...............................................................................................................55
3.3.3.4 So sánh sự tập trung ứng suất giữa khối rỗng hình chữ nhật vát góc
và bo trịn góc. ...............................................................................................68
3.3.3.5 Ảnh hưởng của chiều cao khối rỗng có dạng hình chữ nhật đến sự
phân bố ứng suất dọc và ngang. ....................................................................72
3.3.3.6 Ảnh hưởng của chiều rộng khối rỗng có dạng hình chữ nhật đến sự
phân bố ứng suất dọc và ngang. ....................................................................77
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ...................................................................................81
1. Kết luận .................................................................................................................81
2. Kiến nghị ...............................................................................................................81

HV: Phan Lê Thanh

MSHV: 1770096


– xii –

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1. Độ cứng của bản sàn dạng khối rỗng (Gee-Cheol Kim, Joo-Won Kang) 15

Bảng 1.2. So sánh tải trọng và chuyển vị cuối cùng giữa thực nghiệm và ANSYS ...21
Bảng 2.1. Hệ số độ cứng uốn (Kim và Kang, 2012) .................................................25
Bảng 2.2. Các hệ số độ cứng xoắn cho bản sàn khối rỗng (Ward & Cassell, 1974)26
Bảng 2.3. Tỉ số độ cứng chống xoắn giữa bản khối rỗng, jv-slab, và bản đặc, jslab ....34
Bảng 3.1. Bảng U3-max theo mesh size đối với lưới chia không đều ..........................52
Bảng 3.2. Bảng U3-max theo các trường hợp xếp tải ..................................................54
Bảng 3.3. Bảng các thơng số hình dạng khối rỗng ...................................................55
Bảng 3.4. Tổng hợp S22 và U3-max tại mặt cắt 2-2......................................................60
Bảng 3.5. Bảng khối lượng và mô men quán tính bản theo chiều cao khối rỗng .....72
Bảng 3.6. Ứng suất S22 tại ba vị trí cần xem xét .......................................................76
Bảng 3.7.Bảng so sánh ứng suất S22 .........................................................................77
Bảng 3.8. Bảng khối lượng và mơ men qn tính bản theo chiều rộng khối rỗng ...77

DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1. Cấu tạo của một cầu bản rỗng (Scollard & Bartlett, 2003) .......................3
Hình 1.2. Một dạng cầu với hai cầu bản có khối rỗng ghép với nhau .......................4
Hình 1.3. Ứng dụng kỹ thuật bản sàn bong bóng trong cầu cong ..............................5
Hình 1.4. Mặt cắt ngang tính tốn đại diện cho tấm bê tơng lõi rỗng .......................6
Hình 1.5. Cấu tạo của cầu bản dạng bản rỗng (Warrick de Kock) ............................7
Hình 1.6. Sự phân bố ứng suất dọc theo mặt cắt ngang tại giữa bản ........................8
Hình 1.7. Sự phân bố ứng suất ngang .........................................................................8
Hình 1.8. Phân bố ứng suất trên mặt cắt ngang tại giữa nhịp ...................................9
Hình 1.9. Phân bố chuyển vị theo mặt cắt ngang giữa nhịp cho tấm S1/6 với
P=15KN ....................................................................................................................12
Hình 1.10. Phân bố hệ số biến dạng theo mặt cắt ngang giữa nhịp cho tấm S1/6 với
P=15KN ....................................................................................................................12

HV: Phan Lê Thanh

MSHV: 1770096

– xiii –

Hình 1.11. Phân bố chuyển vị theo mặt cắt ngang giữa nhịp cho tấm S1/6 với các
cấp tải khác nhau ......................................................................................................12
Hình 1.12. Phân bố hệ số biến dạng theo mặt cắt ngang giữa nhịp cho tấm S1/6 với
P=30KN ....................................................................................................................12
Hình 1.13. Đường cong tải trọng – chuyển vị của điểm bên dưới tải trọng .............13
Hình 1.14. Hệ số phân bố biến dạng theo tải trọng cho tấm S1/6 ............................13
Hình 1.15. Biến dạng trong cốt thép ngang của tấm S1/6 ........................................14
Hình 1.16. Các thơng số của mơ hình bản rỗng (Gee-Cheol Kim, Joo-Won Kang) 15
Hình 1.17. Chuyển vị tĩnh do trọng lượng bản thân theo chiều dọc (Gee-Cheol Kim,
Joo-Won Kang) .........................................................................................................16
Hình 1.18. Chuyển vị tĩnh do trọng lượng bản thân theo chiều ngang (Gee-Cheol
Kim, Joo-Won Kang) .................................................................................................16
Hình 1.19. Mặt cắt ngang của bản: (a) bản khối rỗng thực tế; (b) bản lý tưởng hóa
khơng có khối rỗng (Leslie G. Jaeger, Baidar Bakht, và Gamil Tadros) .................18
Hình 1.20. Một ơ đơn trong bản được cắt ra: (a) ô với lỗ rỗng trịn; (b) ơ khơng có
lỗ rỗng (Leslie G. Jaeger, Baidar Bakht, và Gamil Tadros) ....................................19
Hình 1.21. Tồn đồ để tra te (Leslie G. Jaeger, Baidar Bakht, và Gamil Tadros) ...20
Hình 1.22. Mặt cắt chữ T của sàn BubbleDeck dùng những quả bóng hình cầu và
hình elip rỗng ............................................................................................................21
Hình 2.1. Độ cong của một tấm trong các mặt phẳng song song với các mặt phẳng
xz và yz ......................................................................................................................23
Hình 2.2. Vị trí của khối rỗng trong phần tử bê tông cốt thép chịu uốn (Bokil, 2010)
...................................................................................................................................27
Hình 2.3. Quan hệ giữa mơ men quán tính và tỉ số đường kính khối rỗng với bề dày
bản sàn ......................................................................................................................28
Hình 2.4. Ảnh hưởng biến dạng riêng của khối rỗng ...............................................29

Hình 2.5. Mặt cắt ngang điển hình của cầu dạng bản rỗng .....................................31
Hình 2.6. Ứng xử của cầu bản dạng hộp: .................................................................32
Hình 2.7. Một đoạn mặt cắt ngang cầu bản dạng khối rỗng ....................................33

HV: Phan Lê Thanh

MSHV: 1770096


– xiv –

Hình 2.8. Mặt cắt dọc cầu bản dạng khối rỗng ........................................................34
Hình 2.9. Mặt cắt ngang cầu bản dạng khối rỗng ....................................................35
Hình 2.10. Chia lưới cho mơ hình Grillage ..............................................................35
Hình 2.11. Thành phần phương dọc bản dạng khối rỗng .........................................36
Hình 2.12. Ví dụ về phần tử solid với các vị trí nút khác nhau ................................38
Hình 3.1. Các loại hình dạng khối rỗng ...................................................................40
Hình 3.2. Mặt bằng cầu kết nối khu dân cư Him Lam ..............................................42
Hình 3.3. Mặt bằng nhịp chính cầu kết nối khu dân cư Him Lam ............................43
Hình 3.4. Mặt cắt ngang nhịp chính cầu kết nối khu dân cư Him Lam ....................44
Hình 3.5. Các trường hợp bố trí hoạt tải ..................................................................45
Hình 3.6. Sơ đồ bố trí gối cầu nhịp chính cầu kết nối khu dân cư Him Lam ...........46
Hình 3.7. Loại phần tử tứ diện bậc 2 với 10 nút C3D10 ..........................................47
Hình 3.8. Biểu đồ thể hiện kết quả hội tụ tại vơ cùng ...............................................48
Hình 3.9. Kích thước mặt bằng bản sàn cầu (chiều cao 1,45m) ..............................49
Hình 3.10. Hình dáng các loại khối rỗng .................................................................49
Hình 3.11. Hình dáng và kích thước thân trụ ...........................................................49
Hình 3.12. Hình dáng và kích thước bản thép đệm gối ............................................50
Hình 3.13. Hệ trục tọa độ của bài tốn ....................................................................50
Hình 3.14. Mơ phỏng điều kiện biên và tải trọng .....................................................51

Hình 3.15. Biểu đồ U3-max theo tổng số phần tử đối với lưới chia khơng đều ...........52
Hình 3.16. Chuyển vị U3 đối với trường hợp xếp tải 1 (4 làn HL-93 nhánh a) ........53
Hình 3.17. Chuyển vị U3 đối với trường hợp xếp tải 2 (4 làn HL-93 nhánh b) ........53
Hình 3.18. Chuyển vị U3 đối với trường hợp xếp tải 3 (4 làn HL-93 nhánh c) ........54
Hình 3.19. Chuyển vị U3 đối với trường hợp xếp tải 4 (6 làn HL-93 toàn cầu) .......54
Hình 3.20. Các vị trí nguy hiểm dùng để phân tích sự phân bố ứng suất.................55
Hình 3.21. Phân bố ƯS S11 của bản rỗng .................................................................56
Hình 3.22. Phân bố ƯS S11 tại mặt cắt 2-2 của bản rỗng .........................................57
Hình 3.23. Phân bố ƯS S22 của bản rỗng .................................................................57
Hình 3.24. Mơ hình Submodel cho vị trí mặt cắt 2-2 của bản khối rỗng .................58

HV: Phan Lê Thanh

MSHV: 1770096


– xv –

Hình 3.25. Chia lưới cho mơ hình Submodel ............................................................58
Hình 3.26. Ứng suất S22 tại mặt cắt 2-2 cho khối rỗng hình trịn .............................59
Hình 3.27. Ứng suất S22 tại mặt cắt 2-2 cho khối rỗng hình chữ nhật .....................59
Hình 3.28. Ứng suất S22 tại mặt cắt 2-2 cho khối rỗng hình elip..............................59
Hình 3.29. Ứng suất S22 tại mặt cắt 2-2 cho khối rỗng hình capsule .......................59
Hình 3.30. Phân bố ƯS S22 cho thớ biên trên tại mặt cắt 2-2 ...................................61
Hình 3.31. Phân bố ƯS S22 cho thớ biên dưới mặt cắt 2-2 theo hình dạng khối rỗng
...................................................................................................................................61
Hình 3.32. Vị trí ba mặt cắt để xét phân bố ứng suất tại vùng chuyển tiếp ..............62
Hình 3.33. Phân bố ƯS S22 tại vùng chuyển tiếp của bản với khối rỗng hình trịn ..63
Hình 3.34. Phân bố ƯS S22 tại vùng chuyển tiếp của bản với khối rỗng hình chữ nhật
...................................................................................................................................63

Hình 3.35. Phân bố ƯS S22 tại vùng chuyển tiếp của bản với khối rỗng hình elip ...64
Hình 3.36. Phân bố ƯS S22 tại vùng chuyển tiếp của bản với khối rỗng hình capsule
...................................................................................................................................64
Hình 3.37. Phân bố ƯS S22 cho thớ biên trên tại mặt cắt 1-1 theo các loại hình dạng
khối rỗng ...................................................................................................................65
Hình 3.38. Phân bố ƯS S22 cho thớ biên dưới tại mặt cắt 1-1 theo các loại hình
dạng khối rỗng ..........................................................................................................66
Hình 3.39. Phân bố ƯS S11 cho thớ biên trên tại mặt cắt 4-4 theo các loại hình dạng
khối rỗng ...................................................................................................................67
Hình 3.40. Phân bố ƯS S11 cho thớ biên dưới tại mặt cắt 4-4 theo các loại hình
dạng khối rỗng ..........................................................................................................67
Hình 3.41. Phân bố ƯS SMises của bản khối rỗng ......................................................69
Hình 3.42. Mơ hình Submodel cho bản khối rỗng hình chữ nhật .............................69
Hình 3.43. Vị trí thớ biên dưới bản nắp và thớ biên trên bản đáy dùng để khảo sát
sự phân bố ứng suất SMises .........................................................................................70
Hình 3.44. Chuyển vị U3 cho trường hợp khối rỗng hình chữ nhật vát góc .............70
Hình 3.45. Chuyển vị U3 cho trường hợp khối rỗng hình chữ nhật bo trịn góc ......70

HV: Phan Lê Thanh

MSHV: 1770096


– xvi –

Hình 3.46. Phân bố ƯS SMises cho thớ biên dưới của bản nắp ..................................71
Hình 3.47. Phân bố ƯS SMises cho thớ biên trên của bản đáy ...................................71
Hình 3.48. Phân bố ứng suất S11 và S22 tại mặt cắt 2-2 của bản khối rỗng..............73
Hình 3.49. Phân bố ƯS S11 tại thớ biên trên cho mặt cắt 2-2 với chiều cao khối rỗng
khác nhau ..................................................................................................................73

Hình 3.50. Phân bố ƯS S11 tại thớ biên dưới cho mặt cắt 2-2 với chiều cao khối
rỗng khác nhau ..........................................................................................................74
Hình 3.51. Phân bố ƯS S22 tại thớ biên trên cho mặt cắt 2-2 với chiều cao khối rỗng
khác nhau ..................................................................................................................74
Hình 3.52. Phân bố ƯS S22 tại thớ biên dưới cho mặt cắt 2-2 với chiều cao khối
rỗng khác nhau ..........................................................................................................75
Hình 3.53. Ba vị trí dùng để khảo sát ứng suất S22 ...................................................76
Hình 3.54. Phân bố ƯS S11 tại thớ biên trên của mặt cắt 2-2 khi thay đổi bề rộng
khối rỗng ...................................................................................................................78
Hình 3.55. Phân bố ƯS S11 tại thớ biên dưới của mặt cắt 2-2 khi thay đổi bề rộng
khối rỗng ...................................................................................................................78
Hình 3.56. Phân bố ƯS S22 tại thớ biên trên của mặt cắt 2-2 khi thay đổi bề rộng
khối rỗng ...................................................................................................................79
Hình 3.57. Phân bố ƯS S22 tại thớ biên dưới của mặt cắt 2-2 khi thay đổi bề rộng
khối rỗng ...................................................................................................................79

HV: Phan Lê Thanh

MSHV: 1770096


–1–

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Việc kết hợp các khối rỗng vào trong cầu bản tạo nhiều ưu thế hơn so với cầu
bản bê tông đặc như là giảm khối lượng bê tơng từ đó giảm chi phí xây dựng, giảm
trọng lượng bản thân tức là giảm tĩnh tải từ đó có thể vượt được nhịp dài hơn, giảm
tải trọng lên mố trụ, mà không làm giảm đáng kể sức chịu tải của nó. Tuy nhiên các
khối rỗng nằm trong cầu bản đã làm phức tạp hóa việc phân tích kết cấu cho loại cầu

này. Theo nghiên cứu tổng quan, chưa có nghiên cứu về ứng xử của cầu bản khác
nhau như thế nào khi thay đổi hình dạng khối rỗng. Vì vậy cần nghiên cứu xem các
hình dạng khối rỗng này có ảnh hưởng đến ứng xử của cầu bản ra sao và giữa chúng
có mối liên hệ như thế nào là việc làm cần thiết.
2. Mục đích nghiên cứu
Đề tài tập trung nghiên cứu vào sự khác nhau trong ứng xử cầu bản rỗng (voided
slab bridge) khi thay đổi hình dạng và kích thước khối rỗng, đánh giá ưu nhược điểm
của mỗi loại khối rỗng, tìm ra hình dạng & kích thước khối rỗng hợp lý cho một cơng
trình cụ thể. Các số liệu nghiên cứu được thực hiện trên phần cầu kết nối Khu dân cư
Him Lam qua rạch Bàng và có thể tham khảo để thiết kế cho các cầu có kết cấu tương
tự sau này.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
a. Đối tượng nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của đề tài này là cầu bản dạng bản rỗng với các loại hình
dạng và kích thước khối rỗng khác nhau, áp dụng cho phần cầu kết nối Khu dân cư
Him Lam qua rạch Bàng, phường Tân Phong, quận 7, tp. Hồ Chí Minh.
b. Phạm vi nghiên cứu
+ Nghiên cứu tổng quan về lý thuyết tính tốn kết cấu đối với cầu bản dạng bản
rỗng.

HV: Phan Lê Thanh

MSHV: 1770096


–2–

+ Xác định sự khác nhau trong ứng xử cầu bản dạng bản rỗng khi thay đổi hình
dạng và kích thước khối rỗng.
+ Phân tích tổng thể tồn bộ kết cấu và cục bộ các vị trí dự đốn ứng suất và

chuyển vị lớn nhằm chọn ra hình dạng và kích thước khối rỗng hợp lý.
4. Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu của đề tài là kết hợp giữa nghiên cứu tổng quan về lý
thuyết, nghiên cứu mô phỏng bằng phần mềm để giải quyết các nội dung của đề tài.
5. Ý nghĩa khoa học và tính thực tiễn của đề tài
Góp phần nghiên cứu thêm các dạng mặt cắt khác nhau cho loại cầu dạng bản
rỗng cũng như làm rõ thêm ảnh hưởng của khối rỗng đến ứng xử của cầu bản rỗng
nhằm cải tiến thiết kế cho dạng cầu này trong tương lai, đồng thời tiếp bước hồn
thiện các thí nghiệm mà các nghiên cứu trước chưa đề cập đến.
6. Nội dung đề tài
Nội dung đề tài gồm: phần mở đầu, 3 chương, phần kết luận và kiến nghị, tài
liệu tham khảo và phần phụ lục.
+ PHẦN MỞ ĐẦU: Nêu lý do chọn đề tài, mục đích nghiên cứu, đối tượng và
phạm vi nghiên cứu, phương pháp nghiên cứu, ý nghĩa đề tài.
+ Chương 1: Giới thiệu đối tượng nghiên cứu, tổng quan về tình hình nghiên
cứu trong nước và trên thế giới về vấn đề nghiên cứu, kết luận lý do thực hiện.
+ Chương 2: Cơ sở lý thuyết phục vụ cho việc phân tích kết cấu của cầu bản
dạng khối rỗng.
+ Chương 3: Mô phỏng kết cấu cầu kết nối Khu dân cư Him Lam qua rạch Bàng
bằng phần mềm PTHH ABAQUS. Phân tích kết quả và so sánh.
+ PHẦN KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ: Nhận xét, đánh giá và rút ra kết luận
về sự khác nhau trong ứng xử của cầu bản dạng bản rỗng đối với các hình dạng khối
rỗng khác nhau. Đồng thời đề nghị định hướng nghiên cứu tiếp sau nghiên cứu này.
HV: Phan Lê Thanh

MSHV: 1770096


–3–

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU
1.1 Giới thiệu chung về cầu bản có khối rỗng
Cầu bê tơng cốt thép có thể có nhiều hình thức khác nhau ví dụ như dạng bản
đặc, dầm liên hợp bản, bản mỏng kết hợp sườn và bản rỗng. Dạng bản đặc thường
hay được sử dụng do tính đơn giản, dễ đúc tại chỗ và có khả năng phân bố tải trọng
tập trung theo hai phương. Nó mang lại hiệu quả đối với cầu có chiều dài nhịp dưới
12m. Tuy nhiên đối với nhịp dài hơn, dạng bản đặc này cho tĩnh tải khá lớn và nó
khơng mang lại hiệu quả kinh tế. Để khắc phục vấn đề này, người ta chuyển sang sử
dụng cầu dạng bản rỗng.
Trong cầu bản rỗng, phần khối rỗng được thay thế cho phần bê tông chịu kéo
nằm ở trọng tâm của bản, do đó làm giảm tĩnh tải và tăng hiệu quả làm việc của bản
khi chịu uốn. Các khối rỗng trong cầu bản thường có dạng hình trịn hoặc vng và
được bố trí theo hướng dọc cầu. Khối rỗng hình trịn thường được sử dụng nhiều hơn
vì nó dễ thi cơng và phần bê tơng bên dưới hình trịn dễ đầm chặt hơn khi đúc bản
cầu.

Hình 1.1. Cấu tạo của một cầu bản rỗng (Scollard & Bartlett, 2003)

HV: Phan Lê Thanh

MSHV: 1770096


–4–

Một bản rỗng thường nhẹ hơn từ 30% đến 50% so với bản đặc có cùng chiều
cao. Việc giảm tĩnh tải cho phép các cầu bản rỗng có thể đạt chiều dài nhịp 15m trong
khi các cầu bản đặc chỉ đạt chiều dài nhịp là 10m. Cầu bản rỗng dự ứng lực có thể
đạt chiều dài nhịp lên đến 25m (theo Biswas, 1986).
Các mơ hình lý thuyết cho thấy độ bền cắt của bản rỗng nằm trong khoảng 60%

đến 80% so với bản đặc cùng chiều cao, còn sức kháng uốn giảm khơng nhiều (theo
Lai, 2010). Điều này có thể được khắc phục bằng cách không tạo khối rỗng tại các vị
trí có lực cắt lớn như tại gối cầu nhằm tạo thành dầm ngang tại vị trí đó.
1.2 Các hình thức của bản khối rỗng
Với nguyên tắc chung là giảm tĩnh tải của bản (nhưng sức kháng giảm càng ít
càng tốt), nhiều hình dạng khác nhau của bản rỗng đã được nghiên cứu. Những hình
thức phổ biến của bản rỗng là cầu bản có khối rỗng (voided slab bridge decks), sàn
bong bóng (Bubble Deck slabs) và tấm bê tơng lõi rỗng (Hollow-core slabs).
1.2.1 Cầu bản có khối rỗng (voided slab bridge decks)
Cầu bản có khối rỗng bao gồm các hình trụ rỗng đặt dọc theo chiều dài cầu bản.
Chiều cao khối rỗng tùy thuộc vào chiều cao của cầu bản và có thể đạt 80% chiều cao
cầu bản. Khoảng cách ngang giữa các khối rỗng thông thường từ 750mm đến
3000mm.

Hình 1.2. Một dạng cầu với hai cầu bản có khối rỗng ghép với nhau

HV: Phan Lê Thanh

MSHV: 1770096


–5–

Cầu bản có khối rỗng thường hay gặp phải vấn đề trong q trình đổ bê tơng do
lực đẩy nổi gây ra. Khối rỗng phải có đủ độ cứng, độ kín và được neo chặt trước khi
đổ bê tơng. Một khó khăn nữa khi đổ bê tơng cầu bản có khối rỗng là việc làm đầy
và đầm chặt bê tông bên dưới khối rỗng.
Loại vật liệu thường hay được sử dụng làm công cụ tạo khối rỗng là polystyrene,
polypropylene tái chế, giấy tái chế kết hợp chất kết dính…
1.2.2 Cầu bản dạng sàn bong bóng (Bubble Deck slabs)

Bản sàn bong bóng bao gồm các khối bong bóng trịn hoặc elip rỗng bằng nhựa
bố trí trong bê tơng tạo thành mạng lưới các khối rỗng bên trong bản sàn. Chúng là
những khối rời rạc trong một mảng hai phương vì vậy chúng làm giảm không nhiều
về cường độ cũng như độ cứng của bản sàn. Các khối bong bóng này có thể dễ dàng
bố trí phù hợp với bố cục khơng đều hoặc cong từ đó cho phép linh hoạt hơn trong
việc thiết kế kiểu dáng bản sàn.

Hình 1.3. Ứng dụng kỹ thuật bản sàn bong bóng trong cầu cong

HV: Phan Lê Thanh

MSHV: 1770096


–6–

Các nghiên cứu gần đây đã chỉ ra, bản sàn bong bóng cho sức kháng uốn bằng
87% trong khi lại chỉ sử dụng 66% khối lượng bê tông so với bản sàn đặc tương ứng
(theo Bokil, 2010).
1.2.3 Tấm bê tông lõi rỗng (Hollow-core slabs)
Tấm bê tông lõi rỗng là các tấm bê tông dự ứng lực được chế tạo sẵn có chứa
các khối rỗng hình trụ kéo dài suốt chiều dài tấm. Tấm bê tông lõi rỗng đầu tiên được
đề xuất từ những năm 1950. Mỗi tấm thường được đúc sẵn với bề rộng 1.2m. Chiều
cao tấm thông thường khoảng 150mm đến 400mm tùy thuộc vào chiều dài nhịp, có
thể đạt nhịp lên tới 16m.

Hình 1.4. Mặt cắt ngang tính tốn đại diện cho tấm bê tơng lõi rỗng

1.3 Tình hình nghiên cứu trên thế giới
1.3.1 Áp dụng lý thuyết tấm trực hướng

Để xác minh sự phù hợp của việc sử dụng tấm trực hướng cho việc lý tưởng
hóa, Warrick de Kock đã thực hiện mô phỏng cầu bản trên Hình 1.5 bằng phần mềm
Abaqus để:
+ Nghiên cứu khả năng áp dụng tấm trực hướng để tính tốn cầu bản rỗng;
+ Nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ đường kính khối rỗng với chiều cao bản rỗng
và khoảng cách giữa các khối rỗng đến khả năng làm việc của cầu bản dạng bản rỗng.

HV: Phan Lê Thanh

MSHV: 1770096


–7–

Hình 1.5. Cấu tạo của cầu bản dạng bản rỗng (Warrick de Kock)

Warrick de Kock đã thực hiện các mô hình theo ba giai đoạn với cùng chiều dài
nhịp, chiều rộng và chiều cao cầu bản, chỉ thay đổi tỉ lệ đường kính khối rỗng và
chiều cao bản. Giai đoạn 1 thay đổi đường kính khối rỗng từ 0.5m đến 0.9m trong khi
vẫn giữ nguyên khoảng cách giữa hai khối rỗng là 1.2m. Giai đoạn 2 thay đổi khoảng
cách giữa hai khối rỗng từ 900mm đến 2700mm trong khi vẫn giữ nguyên đường kính
khối rỗng. Ở hai giai đoạn này đều so sánh với mơ hình bản đặc tương đương trên
nguyên tắc giảm chiều cao bản đặc để có cùng mơ men qn tính với bản rỗng. Giai
đoạn 3 là giai đoạn dùng các mơ hình bản đặc tương đương ở hai giai đoạn trước để
so sánh các tham số tấm trực hướng mà các tác giả trước đây đã nêu ra để tính tốn
bản rỗng theo lý thuyết tấm trực hướng. Sau đây là một số kết quả đạt được:

HV: Phan Lê Thanh

MSHV: 1770096

–8–

Hình 1.6. Sự phân bố ứng suất dọc theo mặt cắt ngang tại giữa bản
cho (a) thớ chịu nén ngoài cùng và (b) thớ chịu kéo ngồi cùng

Hình 1.7. Sự phân bố ứng suất ngang
cho (a) thớ chịu nén ngoài cùng và (b) thớ chịu kéo ngoài cùng của bản

HV: Phan Lê Thanh

MSHV: 1770096


–9–

Hình 1.8. Phân bố ứng suất trên mặt cắt ngang tại giữa nhịp
cho (a) thớ chịu nén ngoài cùng và (b) thớ chịu kéo ngoài cùng

Tác giả đã đưa ra một số kết luận như sau:

HV: Phan Lê Thanh

MSHV: 1770096


– 10 –

+ Việc thêm vào các khối rỗng gây ra các biến đổi lớn đối với phân bố ứng suất

ngang so với hình dạng parabol điển hình, dẫn đến ứng suất ngang cực đại lớn ở các
tấm đặc trên và dưới các khoảng trống (bản nắp và bản đáy). Những biến đổi này là
do tính chất biến dạng của mặt cắt. Các khối rỗng cũng dẫn đến một hiệu ứng tăng
đối với các ứng suất dọc.
+ Sự kết hợp của các khối rỗng bắt đầu ảnh hưởng đến khả năng làm việc của
bản sàn một khi tỷ lệ đường kính khối rỗng vượt quá 0.6 và tính trực hướng trở nên
đáng kể. Hiệu ứng tăng ứng suất của các khối rỗng cần được tính đến trong phân tích
bản sàn khối rỗng khi tỷ lệ đường kính khối rỗng vượt quá 0.6.
+ Sự gia tăng tỷ lệ đường kính khối rỗng dẫn đến sự gia tăng nhanh chóng trong
cả ứng suất dọc và ứng suất ngang. Sự gia tăng ứng suất này vượt quá mức tăng ứng
suất được dự đoán từ sự giảm mơ men qn tính, điều này cho thấy có sự gia tăng
biến dạng của mặt cắt ngang với sự gia tăng tỷ lệ đường kính khối rỗng.
+ Có thể kết luận rằng tỷ lệ đường kính khối rỗng tối ưu là giữa 0.6 và 0.8. Phạm
vi tỷ lệ đường kính khối rỗng này cho phép đạt hiệu quả cao hơn do giảm tĩnh tải và
sử dụng vật liệu, không tạo ra ứng suất quá mức do biến dạng tại bản nắp và bản đáy
của bản cầu khối rỗng.
+ Khoảng cách khối rỗng tối ưu có thể được chọn để cho phép các bản sườn có
kích thước vừa đủ giữa các khối rỗng. Khoảng cách giữa các khối rỗng từ 1.2m đến
1.8m được khuyến nghị, tùy thuộc vào đường kính khối rỗng, để cho phép độ dày của
bản sườn trong khoảng từ 250mm đến 500mm.
+ Các mơ hình tấm trực hướng được chứng minh là phù hợp tốt hơn các mơ
hình đẳng hướng khi dự đốn đúng ứng suất ngang vì đã xem xét đến sự hiện diện
của các khối rỗng. Khi tỉ lệ đường kính khối rỗng càng tăng thì mơ hình tấm trực
hướng càng tỏ ra ưu thế hơn.
+ Các ứng suất ngang được dự đoán bới mơ hình tấm trực hướng chỉ cho kết
quả là các giá trị trung bình do khối rỗng gây ra vì khơng thể hiện được hình học tại

HV: Phan Lê Thanh

MSHV: 1770096