Mô phỏng ứng xử cơ học phi tuyến của kết cấu bê tông cốt thép dưới tác động của tải va chạm bằng phương pháp phần tử hữu hạn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ CÔNG NGHIỆP LONG AN

LÊ QUANG TRỰC

MÔ PHỎNG ỨNG XỬ CƠ HỌC PHI TUYẾN CỦA KẾT CẤU
BÊ TÔNG CỐT THÉP DƯỚI TÁC ĐỘNG CỦA TẢI VA CHẠM
BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng
Mã số: 8.58.02.01

Long An - 2019


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KINH TẾ CÔNG NGHIỆP LONG AN

LÊ QUANG TRỰC

MÔ PHỎNG ỨNG XỬ CƠ HỌC PHI TUYẾN CỦA KẾT CẤU
BÊ TÔNG CỐT THÉP DƯỚI TÁC ĐỘNG CỦA TẢI VA CHẠM
BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng
Mã số: 8.58.02.01

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Trương Tích Thiện

Long An – 2019


i

LỜI CAM ĐOAN
Ngoài những kết quả tham khảo từ những cơng trình khác như đã được ghi trong
luận văn, tơi xin cam kết rằng luận văn này là do chính tôi thực hiện và luận văn chỉ
được nộp tại Trường Đại học Kinh tế Công nghiệp Long An.
Tôi xin cam đoan rằng: Số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này là hoàn
toàn trung thực và chưa từng được sử dụng hoặc công bố trong bất kỳ công trình nào
khác.
Mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn này đã được cảm ơn và các thơng tin
trích dẫn trong luận văn đều được ghi rõ nguồn gốc.

HỌC VIÊN THỰC HIỆN

Lê Quang Trực


ii

LỜI CẢM ƠN
Luận văn cao học hoàn thành là kết quả của quá trình học tập và nghiên cứu của
học viên tại Trường Đại học Kinh tế Công nghiệp Long An. Bên cạnh những nỗ lực
của học viên, hoàn thành chương trình luận văn khơng thể thiếu sự giảng dạy, quan
tâm, giúp đỡ của tập thể Thầy, Cô khoa Kiến trúc Xây dựng (Trường Đại học Kinh tế
Công nghiệp Long An) trong q trình học tập cũng như hồn thành luận văn cao học
này.
Nhân đây, tôi xin chân thành cảm ơn thầy giáo hướng dẫn PGS.TS Trương Tích

Thiện cùng tập thể các thầy cơ, đồng nghiệp đã tận tình quan tâm, hướng dẫn, truyền
đạt kiến thức, kinh nghiệm, tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp tơi hồn thành tốt luận
văn này.
Cũng nhân dịp này, tôi xin trân trọng cám ơn gia đình, bạn bè, tập thể lớp Cao
học Xây dựng đã hỗ trợ tơi trong q trình học tập và thực hiện luận văn.

HỌC VIÊN THỰC HIỆN

Lê Quang Trực


iii

Tóm tắt luận văn
Kết cấu trụ cầu bê tơng cốt thép (BTCT) thường được thiết kế để chống lại tải
trọng gió, địa chấn và đặc biệt là sự va chạm của các phương tiện đường thủy. Tai nạn
va chạm giữa phương tiện đường thủy và trụ cầu không chỉ là vấn đề hay xảy ra ở Việt
Nam mà còn ở trên thế giới. Trước những thiệt hại to lớn gây ra bởi va chạm giữa
phương tiện đường thủy với trụ cầu, việc nghiên cứu các biện pháp bảo vệ trụ cầu
trước nguy cơ va chạm này là cần thiết. Tuy nhiên, những nghiên cứu về các biện pháp
phòng tránh va chạm tàu tại Việt Nam thông qua mô phỏng số hiện nay cịn rất hạn
chế. Trong bài báo này, nhóm tác giả sẽ phân tích sự phá hủy của trụ cầu bê tông cốt
thép khi va chạm với sà lan thơng qua chương trình ANSYS với mơ đun Explicit.
Đồng thời, xác định các vị trí bị phá hủy của trụ cầu trong q trình va chạm để từ đó
đề xuất những phương án thiết kế hay gia cố hiệu quả.


iv

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT .............................................................................. x
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ......................................................................................... 1
1.1. Giới thiệu đề tài .................................................................................................. 1
1.2. Tình hình nghiên cứu trong và ngồi nước ..................................................... 2
1.2.1. Trên thế giới .................................................................................................. 2
1.2.2. Trong nước .................................................................................................... 2
1.3. Tổng quan về hiện tượng va chạm giữa sà lan và trụ cầu .............................. 3
1.3.1. Kết cấu sà lan ................................................................................................ 3
1.3.2. Kết cấu trụ cầu .............................................................................................. 4
1.3.3. Nguyên nhân gây ra sự va chạm giữa sà lan và trụ cầu ................................ 6
1.3.4. Một số phương án bảo vệ cầu và các kết cấu khác trước va chạm của
phương tiện thủy .............................................................................................................. 6
1.4. Ý nghĩa của đề tài ............................................................................................... 8
1.5. Mục tiêu và phạm vi của đề tài ......................................................................... 8
1.6. Tóm tắt chương 1 ............................................................................................... 9
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ........................................................................... 10
2.1. Kết cấu bê tông cốt thép .................................................................................. 10
2.1.1. Giới thiệu .................................................................................................... 10
2.1.2. Đặc điểm cấu tạo bê tông cốt thép .............................................................. 11
2.2. Đánh giá cường độ bê tông theo tiêu chuẩn 5574-2012 Việt Nam ............... 13
2.3. Một số tiêu chuẩn phá hủy bê tông ................................................................. 16
2.4. Lực va chạm ...................................................................................................... 21
2.5. Phương pháp phần tử hữu hạn ....................................................................... 25


v
2.5.1. Quan hệ ứng suất biến dạng ........................................................................ 25
2.5.2. Phương pháp phần tử hữu hạn trong bài toán động lực học tường minh
(Explicit Dynamic) ........................................................................................................ 29
2.6. Tóm tắt chương 2 ......................................................................................... 32

CHƯƠNG 3. MƠ HÌNH TÍNH TỐN ..................................................................... 34
3.1. Giới thiệu các mô đun của phần mềm dùng để mô phỏng ........................... 34
3.1.1. Mô đun Explicit dynamic trong ANSYS WORKBENCH ......................... 34
3.1.2. Các bước thực hiện ..................................................................................... 35
3.2. Mơ hình mơ phỏng ........................................................................................... 38
3.2.1. Mơ tả bài tốn ............................................................................................. 38
3.2.2. Thơng số vật liệu......................................................................................... 41
3.2.3. Xây dựng mơ hình ...................................................................................... 42
3.2.4. Nhập các thơng số phân tích ....................................................................... 48
3.2.5. Chia lưới mơ hình ....................................................................................... 49
3.2.6. Thiết lập điều kiện biên .............................................................................. 50
3.2.7. Giải .............................................................................................................. 52
3.2.8. Phân tích kết quả ......................................................................................... 53
3.2.9. So sánh kết quả ........................................................................................... 57
3.3. Tóm tắt chương 3 ............................................................................................. 58
CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................. 59
4.1. Kết luận ............................................................................................................. 59
4.2. Kiến nghị và hướng phát triển ........................................................................ 59
TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................... 60


vi
DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1. Sà lan tự hành đang hoạt động trên sơng........................................................ 3
Hình 1.2. Sự hoạt động tàu thuyền qua cầu .................................................................... 2
Hình 1.3. Cầu Cao Lãnh bắt qua sơng Tiền - Đồng Tháp .............................................. 5
Hình 1.4. Cấu tạo chung của cầu bê tơng cốt thép ......................................................... 5
Hình 1.5. Cầu Tjorn, Thụy Điển ...................................................................................... 7
Hình 1.6. Cầu Tjorn cũ sau va chạm ............................................................................... 7
Hình 1.7. Cầu qua kênh Houston, TX, Mỹ....................................................................... 8

Hình 2.1. Kết cấu dầm, cột bê tơng cốt thép ................................................................. 10
Hình 2.2. Biểu đồ mơ men và cách đặt cốt thép ............................................................ 12
Hình 2.3. Biểu đồ lực cắt và cách bố trí cốt đai ............................................................ 12
Hình 2.4. Sơ đồ bố trí cốt thép dự ứng lực .................................................................... 13
Hình 2.5. Dạng hình học của phần tử SOLID65 ........................................................... 16
Hình 2.6. Năng lượng va chạm theo Minorsky.............................................................. 21
Hình 2.7. Thí nghiệm va chạm của Woisin .................................................................... 22
Hình 2.8. Lực va chạm theo thời gian đề xuất bởi Woisin ............................................ 22
Hình 2.9. Lực va tĩnh theo kích thước tàu ..................................................................... 23
Hình 2.10. Tổng năng lượng ứng với các năng lượng khác nhau ................................. 23
Hình 2.11. Quan hệ lực va chạm và vận tốc tàu theo AASHTO ................................... 24
Hình 2.12. So sánh lực va lên tường cứng và cọc đàn hồi ứng với các phương pháp
khác nhau ....................................................................................................................... 25
Hình 2.13. Đồ thị ứng suất biến dạng ........................................................................... 26
Hình 3.1. Lưu đồ phân tích động lực học va chạm trong ANSYS ................................. 35
Hình 3.2. Chọn mơ đun Explicit Dynamic ..................................................................... 35
Hình 3.3. Định nghĩa sự tương tác giữa các vật rắn ..................................................... 36
Hình 3.4. Lưới phần tử trong bài tốn va chạm ............................................................ 36


vii
Hình 3.5. Thiết lập điều kiện biên ................................................................................. 37
Hình 3.6. Các thơng số phân tích .................................................................................. 37
Hình 3.7. Chọn bộ giải .................................................................................................. 38
Hình 3.8. Kết quả ứng suất trong quá trình va chạm .................................................... 38
Hình 3.9. Sà lan chở hàng trên sơng ............................................................................. 39
Hình 3.10. Kích thước của sà lan JH ............................................................................ 39
Hình 3.11. Cầu Jiujiang tại Trung Quốc [1] sau tai nạn va chạm xảy ra .................... 40
Hình 3.12. Sơ đồ bố trí bê tơng cốt thép trong trụ cầu ................................................. 41
Hình 3.13. Chọn cơng cụ xây dựng hình học ................................................................ 42

Hình 3.14. Tạo mới hình học trụ cầu ............................................................................ 42
Hình 3.15. Chọn các kích thước hai chiều .................................................................... 43
Hình 3.16. Tạo khối chữ nhật ........................................................................................ 43
Hình 3.17. Tạo đường thẳng trong khối chữ nhật để mơ hình cốt thép ........................ 44
Hình 3.18. Tạo diện tích mặt cắt ngang cho cốt thép ................................................... 44
Hình 3.19. Tạo nhiều cốt dọc bằng lệnh copy ............................................................... 45
Hình 3.20. Tạo các cốt đai ............................................................................................ 45
Hình 3.21. Tạo nhiều cốt đai bằng lệnh copy................................................................ 46
Hình 3.22. Tạo vật thể đặc trưng cho khối lượng tác động lên đỉnh trụ cầu ................ 46
Hình 3.23. Thiết lập khối lượng .................................................................................... 47
Hình 3.24. Xác định các kích thước hình học của sà lan trên hình chiếu bằng ............ 47
Hình 3.25. Tạo mơ hình sà lan ba chiều........................................................................ 48
Hình 3.26. Thiết lập sự tương tác giữa các vật rắn ...................................................... 48
Hình 3.27. Thiết lập các thơng số tương tác như hệ số ma sát ..................................... 49
Hình 3.28. Chia lưới mơ hình ........................................................................................ 49
Hình 3.29. Thiết lập điều kiện biên gia tốc trọng trường.............................................. 50


viii
Hình 3.30. Thiết lập điều kiện biên chuyển vị ............................................................... 51
Hình 3.31. Thiết lập điều kiện biên vận tốc ................................................................... 51
Hình 3.32. Thiết lập các thơng số phân tích.................................................................. 52
Hình 3.33. Chọn các kết quả chuyển vị cần xuất ra ...................................................... 52
Hình 3.34. Chọn các kết quả ứng suất cần xuất ra ....................................................... 53
Hình 3.35. Ứng suất tương đương tại thời điểm t = 0,13s ............................................ 53
Hình 3.36. Ứng suất tương đương tại thời điểm t = 0,2s .............................................. 54
Hình 3.37. Ứng suất tương đương tại thời điểm t = 0,26s ............................................ 54
Hình 3.38. Ứng suất tương đương tại thời điểm t = 0,3s .............................................. 55
Hình 3.39. Chuyển vị tổng tại thời điểm t = 0,13s ........................................................ 55
Hình 3.40. Chuyển vị tổng tại thời điểm t = 0,2s .......................................................... 55

Hình 3.41. Chuyển vị tổng tại thời điểm t = 0,26s ........................................................ 56
Hình 3.42. Chuyển vị tổng tại thời điểm t = 0,3s .......................................................... 56
Hình 3.43. Đồ thị ứng suất Von Misses theo thời gian ................................................. 57
Hình 3.44. Đồ thị chuyển vị tổng theo thời gian ........................................................... 57
Hình 3.45. So sánh kết quả tham khảo từ [1] và kết quả tính toán ............................... 58


ix

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1. Qui định sử dụng cấp độ bền của bê tông đối với kết cấu ứng lực trước ..... 14
Bảng 2.2. Hệ số độ tin cậy của một số loại bê tông khi nén γbc và khi kéo γbt ............. 15
Bảng 2.3. Các cường độ tiêu chuẩn của bê tông Rbn , Rbtn và cường độ tính tốn của
bê tơng khi tính tốn theo các trạng thái giới hạn thứ hai Rb,ser , Rbt,ser , MPa ............... 15
Bảng 2.4. Các thông số đầu vào .................................................................................... 17
Bảng 3.1. Thơng số kích thước sà lan ........................................................................... 19
Bảng 3.2. Thông số vật liệu ......................................................................................... 41


x

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
FEM

Finite Element Method

PPPTHH

Phương pháp phần tử hữu hạn

BTCT

Bê tông cốt thép


1

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1. Giới thiệu đề tài
Bê tông cốt thép đã và đang là loại vật liệu rất quan trọng được sử dụng
trong xây dựng cơ bản phục vụ cho mọi ngành kinh tế quốc dân như trong xây
dựng dân dụng, công nghiệp, thủy lợi, cầu đường… nhờ những ưu điểm nổi trội hơn
so với các vật liệu và kết cấu truyền thông khác như: tận dụng được vật liệu
địa phương, khả năng chịu lực, chịu lửa và chịu động đất rất tốt, dễ tạo hình cấu
kiện theo yêu cầu, ít phải duy tu bảo dưỡng và sửa chữa lớn… Tuy nhiên, trên thực tế
rất nhiều kết cấu bê tông cốt thép như trụ cầu thường xuyên chịu sự va đập trong quá
trình đưa vào sử dụng. Từ năm 2010 đến nay, nước ta đã có nhiều vụ tai nạn giữa cầu
với phương tiện đường thuỷ, gây ra nhiều thiệt hại cho kinh tế và xã hội. Trong tháng
07/2010, ba chiếc tàu đang được neo để sửa chữa tại Tổng cơng ty Cơng nghiệp tàu
thuỷ Bạch Đằng (Hải Phịng) bất ngờ bị trôi do bão và va đập vào cầu Bính, ngồi ra
vào tháng 03/2016 cũng tại Hải Phịng đã xảy ra sự va chạm giữa tàu thuỷ và cầu An
Thái. Đối với khu vực thành phố Hồ Chính Minh, trong hai năm 2015-2016 đã có đến
hai vụ va chạm ảnh hưởng đến cầu Bình Lợi và cầu Ghềnh [11], hai cây cầu đều là
tuyến đường sắt quan trọng cho cả nước. Theo báo cáo của Cơng đồn ngành đường
sắt, từ sự cố sập cầu Đồng Nai (hay còn gọi là cầu Ghềnh) ngày 20/03/2016 đã ước
tính thiệt hại sơ bộ khoảng 90 tỷ đồng, nếu tính đến tổng thiệt hại về kinh tế, chi phí
vận chuyển thì con số có thể lên đến 800 tỷ đồng
Trước những thiệt hại to lớn do hiện tượng va chạm giữa phương tiện đường
thuỷ với trụ cầu bê tông cốt thép, cần phải đưa ra những biện pháp bảo vệ cầu giao
thông cho các trường hợp va chạm. Do vậy, bài toán va chạm bê tơng cốt thép đã trở

thành bài tốn phổ biến và được nghiên cứu, ứng dụng rộng rãi bởi sự cần thiết trong
những vấn đề dự đốn, tính tốn thiệt hại của những tai nạn, từ đó giúp ta tìm được
phương pháp tối ưu để giảm thiểu những thiệt hại đáng tiếc xảy ra. Và các nhà khoa
học đã góp phần tìm ra lời giải cho bài tốn trên thơng qua các lý thuyết và thuật tốn
khác nhau. Trong đề cương này, ứng xử phi tuyến của kết cấu bê tơng cốt thép khi có
tác dụng của tải va chạm sẽ được tính tốn mơ phỏng bởi phương pháp phần tử hữu


2
hạn, một trong những phương pháp số rất mạnh có khả năng giải quyết nhiều bài toán
kỹ thuật phức tạp.
1.2. Tình hình nghiên cứu trong và ngồi nước
1.2.1. Trên thế giới
Tháng 6 năm 2008, hai tác giả Peng Yuan và Issam E. Hark đã xuất bản báo cáo
nghiên cứu cho Trung tâm giao thông vận tải ở Kentucky. Hai bài nghiên cứu với tựa
đề “Multi-barge flotilla impact forces on bridges” và “Equivalent barge and flotilla
impact forces on bridge piers”. Sau vụ va chạm giữa sà lan vào trụ cầu “The Queen
Isabella Causeway”, đây là động lực để tác giả tiến hành nghiên cứu bài tốn va chạm.
Thơng qua phương pháp AASHTO và kết quả mô phỏng tác giả đã đề xuất ra phương
pháp tính va chạm nhằm mang lại độ tin cậy.
Năm 2002, tác đã Gary R. Consolazio và Ronald A. Cook xuất bản bài nghiên
cứu sự khả thi về va chạm giữa cầu và sà lan JH với tựa đề “Barge Impact Testing of
the St. George Island Causeway Bridge”. Florida là một tiểu bang ở đông nam bộ của
Hợp chúng quốc Hoa Kỳ, về mặt địa lý, phần lớn lãnh thổ Florida là một bán đảo nằm
giữa vịnh Mexico, Đại Tây Dương, và eo biển Florida. Để thuận tiện cho việc di
chuyển cây cầu “Saint George Island Causeway Bridge” được xây dựng vào năm
2002, cầu được thiết kế bởi đại học Florida. Nhận thấy được tầm quan trọng của cây
cầu nên hai tác giả đã tiến hành tính tốn va chạm giữa trụ cầu với sà lan JH.
1.2.2. Trong nước
Từ năm 2010 đến nay, nước ta đã có nhiều vụ tai nạn giữa cầu với phương tiện

đường thuỷ, gây ra nhiều thiệt hại cho kinh tế và xã hội. Trong tháng 07/2010, ba
chiếc tàu đang được neo để sửa chữa tại Tổng công ty Công nghiệp tàu thuỷ Bạch
Đằng (Hải Phịng) bất ngờ bị trơi do bão và va đập vào cầu Bính, ngồi ra vào tháng
03/2016 cũng tại Hải Phòng đã xảy ra sự va chạm giữa tàu thuỷ và cầu An Thái. Đối
với khu vực thành phố Hồ Chính Minh, trong hai năm 2015-2016 đã có đến hai vụ va
chạm ảnh hưởng đến cầu Bình Lợi và cầu Ghềnh, hai cây cầu đều là tuyến đường sắt
quan trọng cho cả nước. Theo báo cáo của Cơng đồn ngành đường sắt, từ sự cố sập
cầu Đồng Nai (hay cịn gọi là cầu Ghềnh) ngày 20/03/2016 đã ước tính thiệt hại sơ bộ
khoảng 90 tỷ đồng, nếu tính đến tổng thiệt hại về kinh tế, chi phí vận chuyển thì con số


3
có thể lên đến 800 tỷ đồng.
Trước những thiệt hại to lớn do hiện tượng va chạm giữa phương tiện đường thuỷ
với cầu, cần phải đưa ra những biện pháp bảo vệ cầu giao thông cho các trường hợp va
chạm. Ở nước ta, đã có nhiều bài nghiên cứu về cách bảo vệ trụ cầu trước các hiện tượng
va chạm, nhưng còn mặt nhiều hạn chế để đưa vào áp dụng.
Tháng 6 năm 2016, TS. Lê Quốc Tiến (trường Đại học Hàng hải Việt Nam) đã có
bài báo đăng trên trang tạp chí giao thơng với tựa đề “Nghiên cứu biện pháp bảo vệ trụ
cầu trước va chạm với phương tiện thuỷ”. Bài báo nêu thực trạng của sự va chạm
trong và ngoài nước những năm 1960 trở lại đây, điểm nhấn trong bài báo tác giả
muốn xác định lực va chạm và thiết kế kết cấu bảo vệ khỏi lực va này, từ đó tác giả đã
đưa ra một số biện pháp bảo vệ cầu. Bên cạnh đó, TS. Nguyễn Xn Toản và Nguyễn
Đức Hồng đã phân tích va chạm qua bài báo “Phân tích va chạm tàu bè vào trụ cầu
sông Hàn thành phố Đà Nẵng”. Bằng việc kết hợp hai bài toán cơ bản, bài toán va
chạm và bài toán dao động kết cấu, tác giả đã xử lý và phân tích được hiệu ứng va
chạm tàu bè vào trụ cầu sông Hàn.
1.3. Tổng quan về hiện tượng va chạm giữa sà lan và trụ cầu
1.3.1. Kết cấu sà lan
Sà lan (từ gốc tiếng Pháp là Chaland) là một thuyền có đáy bằng, một phương

tiện dùng để chở các hàng hoá nặng di chuyển chủ yếu ở các con kênh hoặc các con
sơng. Hiện nay, có hai loại Sà lan:


Sà lan thông thường: loại này không thể tự di chuyển mà chúng phải được
kéo hoặc đẩy bằng một tàu kéo.



Sà lan tự hành: loại này có thể tự di chuyển mà khơng cần tàu kéo.

Hình 1.1. Sà lan tự hành đang hoạt động trên sông [nguồn: internet]


4
Vận tải hàng hố khơng cịn xa lạ đối với mọi người, với các doanh nghiệp. Cùng
sự phát triển của đất nước thì nhu cầu vận chuyển ngày càng nhiều, không chỉ bằng
đường bộ mà đường thuỷ và hàng không cũng đang được mở rộng. Đối với khu vực
phía Nam của nước ta, Đồng Bằng Sông Cửu Long được thiên nhiên ưu đãi về hệ
thống sơng ngịi, điều kiện tự nhiên rất thuận lợi cho việc phát triển mơ hình giao thông
đường thuỷ. Trong nhiều loại phương tiện đường thuỷ, sà lan đang được sử dụng nhiều
vì có khả năng đáp ứng vận chuyển an tồn hàng hố với quy mơ lớn, đảm bảo chất
lượng hàng hố sau khi xuất xưởng đến nơi tiêu thụ, giảm hao hụt mất mát, giảm thiểu
rủi ro, rút ngắn thời gian lưu thông hàng hoá, giảm giá thành, tăng khả năng cạnh tranh
của Doanh nghiệp. Ngoài ra về mặt xã hội vận tải bằng sà lan cịn góp phần giảm ách
tắc giao thơng đường bộ, tiết kiệm chi phí đầu tư hạ tầng giao thơng đường bộ.

Hình 1.2. Sự hoạt động tàu thuyền qua cầu [nguồn: internet]
Sà lan có thể chuyên chở các mặt hàng sau:
 Vận tải hàng vật liệu xây dựng: xi măng, ống nước, gạch, cát, đá, sắt thép,…

 Vận tải hàng nông sản: gạo, bắp, bột mỳ, rau củ,…
 Vận tải hàng sản xuất cơng nghiệp: dệt vải, bao bì, thức ăn gia súc, máy móc thiết
bị,…


Vận tải hàng xuất nhập khẩu.

1.3.2. Kết cấu trụ cầu
Cầu là một phương tiện nổi nối liền hai hay nhiều điểm khác nhau, giúp việc di
chuyển giữa các vị trí được dễ dàng. Ngồi ra, cầu là một cơng trình giao thơng được
bắt qua các chướng ngại nước như: dịng sơng, hồ, biển, thung lũng, đường bộ, đường
sắt,…đảm bảo cho giao thông được liên tục. Ngày nay, các loại cầu đã được cải tiến và


5
phát triển để phù hợp với nhu cầu của cuộc sống. Độ khó trong xây dựng cầu nằm tại
kết cấu, nên việc thiết kế kết cấu cầu vẫn chủ yếu do các kỹ sư xây dựng thực hiện mà
ít có đóng góp của kiến trúc sư.

Hình 1.3. Cầu Cao Lãnh bắt qua sông Tiền - Đồng Tháp [nguồn: internet]
Cấu tạo của một cây cầu thường là: kết cấu nhịp, mố cầu, trụ cầu, móng cầu, gối
cầu, phụ kiện,... Tuy nhiên trong đề tài này chỉ xét đối tượng trụ cầu.
1

3
2
Hình 1.4. Cấu tạo chung của cầu bê tông cốt thép [nguồn: internet]
Các thành phần cơ bản của cây cầu
 Kết cấu nhịp.
 Trụ cầu.

 Mố.
Bộ phận giữa hai mố cầu để cho kết cấu nhịp tựa lên gọi là trụ cầu. Do nhiều yêu
cầu về kinh tế và kỹ thuật nên chiều dài kết cấu nhịp không thể quá dài. Để vượt được


6
khoảng cách lớn yêu cầu phải có cọc chống đỡ trung gian đó là trụ cầu, trụ cầu truyền
tải từ kết cấu nhịp xuống móng cơng trình. Đối với loại cầu dây văng hoặc cầu treo thì
trụ cầu thường được làm cao hẳn hơn bản mặt cầu, để treo, neo dây cáp chịu lực, gọi là
trụ tháp.
Trụ cầu có tác dụng phân chia nhịp, truyền phản lực gối từ hai đầu kết cấu nhịp,
hình dáng trụ cầu đối xứng theo phương dọc và ngang cầu. Ngoài ra chúng phải đảm
bảo các yêu cầu về: mỹ quan, va xô tàu thuyền, tác động của dịng chảy,…. Trụ cầu
thường có hai dạng chính:
 Trụ dẻo thường sẽ có hai dạng: cột, cọc.
 Trụ cứng: trụ toàn khối, trụ lắp ghép.
Trụ cứng là đối tượng của cây cầu được phân tích trong bài. Trụ cứng gồm ba bộ
phận chính: mũ trụ, thân trụ và móng trụ. Trên những sơng có dịng nuớc chảy xiết
hoặc có khả năng va đập của tàu bè, cây trơi,… chúng ta có thể lắp đặt bộ phận chống
va xô cho trụ. Một số dạng trụ cứng thường gặp: trụ đặc thân hẹp, trụ đặc thân rộng và
trụ thân cột.
1.3.3. Nguyên nhân gây ra sự va chạm giữa sà lan và trụ cầu
Những rủi ro gây ra sự va chạm thường phụ thuộc vào:
 Đặc điểm của cây cầu.
 Đặc điểm của đường thuỷ.
 Đặc điểm sự giao thông của phương tiện nổi.
 Đặc điểm của người lái tàu.
1.3.4. Một số phương án bảo vệ cầu và các kết cấu khác trước va chạm của
phương tiện thủy
Tránh va bằng cách đặt toàn bộ kết cấu cầu trên bờ: Cách an toàn nhất để bảo vệ

trụ cầu khỏi va chạm tàu là đặt chúng lên trên bờ. Bằng cách này, chi phí phụ trội do
việc tăng chiều dài nhịp cầu có thể được tính vào phần chi phí tiết kiệm từ việc khơng
phải dùng cho việc chi trả chi phí xây dựng cơng trình bảo vệ. Trong trường hợp cầu
dạng vòm, phần vòm của cầu cần phải tránh ra vùng có thể bị tác động. Hình 3.1 và
3.2 minh họa về cầu Tjörn ở Thụy Điển chịu va chạm tàu và biện pháp khắc phục. Sau
sự cố va chạm dẫn đến sập cầu, cầu mới được xây dựng có nhịp chính 366m, tăng từ


7
cầu vịm ban đồ có nhịp 217m. Đồng thời, khoảng tĩnh cho tồn bộ chiều dài của nhịp
chính là 45,3m

Hình 1.5. Cầu Tjorn, Thụy Điển [nguồn: internet]

Hình 1.6. Cầu Tjorn cũ sau va chạm [nguồn: internet]
Bên cạnh cầu Tjörn, trên thế giới có rất nhiều cầu cũng áp dụng cách này để hạn
chế va chạm với phương tiện thủy như cầu Yang Pu ở Thượng Hải, Trung Quốc, cầu
Stonecutter ở Hồng Kong…
Làm chệch hướng tàu bằng đảo nhân tạo hoặc kết cấu dẫn hướng: Với những
vùng nước quá rộng để cầu có thể bắc qua mà khơng sử dụng trụ cầu trên kênh hành
hải, nên sử dụng loại đảo nhân tạo này. Ưu điểm của phương pháp này là cho độ an
toàn cao và cho phép dừng phương tiện thủy một cách từ từ, do đó hạn chế được gia
tăng thiệt hại đối với vỏ tàu. Để bảo vệ khỏi ăn mịn, loại đảo này thực sự khơng u
cầu duy tu mà chỉ đòi hỏi bồi đắp bổ sung thêm một lượng nhỏ sau va chạm. Việc sử


8
dụng loại này thường bị hạn chế tới mức nó có thể khơng làm giảm mặt cắt ướt của
dịng chảy dẫn tới tốc độ dòng chảy tăng lên một cách nguy hiểm.

Hình 1.7. Cầu qua kênh Houston, TX, Mỹ [nguồn: internet]
Cầu qua kênh Houston, TX, Mỹ là cơng trình tiêu biểu sử dụng đảo nhân tạo để
bảo vệ trụ cầu. Trong Hình 1.7, hai cây cầu này được thiết kế với một trụ cầu được đặt
trên bờ, đảo nhân tạo được xây dựng phục vụ cho trụ còn lại được đặt ở vị trí nước
nơng.
Thiết kế trụ cầu đủ vững để chịu được va chạm trực tiếp
1.4. Ý nghĩa của đề tài
 Mô phỏng vùng phá hủy kết cấu bê tông cốt thép khi sà lan va chạm.
 Kết quả mô phỏng dùng để khắc phục những nơi yếu hay cải thiện gia cường
kết cấu, từ đó tính tốn giảm chi phí, tăng tuổi thọ cho cơng trình.
1.5. Mục tiêu và phạm vi của đề tài
Sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn động lực học tường minh mô phỏng q
trình va chạm giữa sà lan và trụ cầu, có xét đến hiện tượng phá hủy của bê tông được
lựa chọn và xác định các vùng phá hủy của kết cấu sau khi va chạm. Trong đó, vật liệu
bê tơng và cốt thép của trụ cầu xét trong miền đàn hồi đẳng hướng, bỏ qua sự tương tác
trụ cầu với đất.


9
1.6. Tóm tắt chương 1
 Nghiên cứu va chạm giữa sà lan và trụ cầu bê tông là rất cần thiết bởi nhu cầu
vận chuyển hàng hóa cao nên sà lan có trọng tải càng lớn, khi va chạm với trụ
cầu gây ảnh hưởng lớn đến trụ cầu gây nhiều tai nạn đáng tiếc
 Tìm hiểu sơ lược về kết cấu sà lan và trụ cầu
 Những nguyên nhân gây nên sự va chạm và những biện pháp khắc phục
 Trong bài nghiên cứu về sự chịu lực của trụ bê tông cốt thép


10

CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. Kết cấu bê tông cốt thép (BTCT)
2.1.1. Giới thiệu
Bê tông cốt thép là một loại vật liệu xây dựng hỗn hợp do hai vật liệu thành phần
có tính chất cơ học khác nhau là bê tông và thép cùng cộng tác chịu lực với nhau một
cách hợp lý và kinh tế.
Bê tông là một loại đá nhân tạo thành phần bao gồm cốt liệu (cát, đá) và chất kết
dính (xi măng, nước ...). Bê tơng có khả năng chịu nén tốt, khả năng chịu kéo rất kém.
Thép là vật liệu chịu kéo hoặc chịu nén đều tốt. Do vậy người ta thường đặt cốt
thép vào trong bê tông để tăng cường khả năng chịu lực cho kết cấu. Từ đó sản sinh ra
kết cấu bê tơng cốt thép.

Hình 2.1. Kết cấu dầm, cột bê tông cốt thép [nguồn: internet]
Dầm BTCT khai thác hết khả năng chịu nén tốt của bê tông và khả năng chịu kéo
tốt của thép. Nhờ vậy khả năng chịu mô men hay sức kháng uốn lớn hơn hàng chục
lần so với dầm bê tơng có cùng kích thước.


11
Cốt thép chịu kéo và nén đều tốt nên nó còn được đặt vào trong các cấu kiện chịu
kéo, chịu nén, cấu kiện chịu uốn xoắn để tăng khả năng chịu lực, giảm kích thước tiết
diện và chịu lực kéo xuất hiện do ngẫu nhiên.
Bê tơng và thép có thể cùng cộng tác chịu lực là do :
 Trên bề mặt tiếp xúc giữa bê tơng và thép có lực dính bám khá lớn nên lực có
thể truyền từ bê tơng sang thép và ngược lại. Lực bám dính có tầm rất quan
trọng đối với BTCT.
 Nhờ có lực bám dính mà cường độ của cốt thép mới được khai thác, bề rộng vết
nứt trong vùng kéo mới được hạn chế. Do vậy người ta phảo tìm mọi cách để
tăng cường lực bám dính giữa bê tơng và cốt thép.
 Giữa bê tông và cốt thép không xảy ra phản ứng hố học, bê tơng cịn bảo vệ

cho cốt thép chống lại tác dụng ăn mịn của mơi trường.
 Hệ số giãn nở dài vì nhiệt của bê tơng và cốt thép là xấp xỉ bằng nhau. Do đó
khi nhiệt độ thay đổi trong phạm vi thông thường ( dưới 100oC), ứng suất
xuất hiện không đáng kể, không làm phá hoại lực dính bám giữa bê tơng và
cốt thép.
2.1.2. Đặc điểm cấu tạo bê tông cốt thép
2.1.2.1. Bê tông cốt thép thường
Cốt thép được đặt vào trong cấu kiện bê tông cốt thép để: chịu ứng suất kéo, chịu
ứng suất nén, để định vị các cốt thép khác. Số lượng do tính tốn định ra nhưng cũng
phải thoả mãn các yêu cầu cấu tạo.
Cốt thép chịu ứng suất kéo do nhiều nguyên nhân gây ra: Mô men uốn, lực cắt,
lực dọc trục, mô men xoắn , tải cục bộ.
Cốt thép chịu kéo mơmen uốn gây ra đó là các cốt thép dọc chủ đặt ở vùng chịu
kéo của cấu kiện, đặt theo sự xuất hiện của biểu đồ mô men, đặt càng xa trục trung hoà
càng tốt.


12

Hình 2.2. Biểu đồ mơ men và cách đặt cốt thép [nguồn: internet]
Cốt thép chịu kéo do lực cắt gây ra dố là các cốt thép đai ( cốt ngang ) được đặt
theo sự xuất hiện của biểu đồ lực cắt.

Hình 2.3. Biểu đồ lực cắt và cách bố trí cốt đai [nguồn: internet]
Cốt thép chịu ứng suất nén: Đó là các cốt dọc chịu nén trong dầm, cột, các cốt
thép này cùng tham gia chịu nén với bê tông.
Cốt thép định vị các cốt thép khác trong thi công.
Cốt thép kiểm soát nứt bề mặt phân bố gần bề mặt cấu kiện làm nhiệm vụ chịu
ứng suất do co ngót, thay đổi nhiệt độ, các cốt dọc và cốt thép ngang là một phần của
cốt thép kiểm soát nứt bề mặt.

Trong cấu kiện chịu uốn khi chỉ có cốt dọc chịu kéo thì được gọi là tiết diện đặt
cốt thép đơn, cịn khi có cả cốt thép dọc chịu kéo và cốt dọc chịu nén thì được gọi là
tiết diện đặt cốt kép. Sơ đồ bố trí cốt thép trong cấu kiện chịu nén lệch tâm lớn, chịu
kéo lệch tâm lớn gần giống như trong cấu kiện chịu uốn .


13
2.1.2.2. Bê tông cốt thép dự ứng lực
Trong cấu kiện bê tông cốt thép dự ứng lực gồm hai loại cốt thép: Cốt thép
thường (hay cốt thép không kéo căng) và cốt thép dự ứng lực (cốt thép kéo căng ). Cốt
thép thường làm nhiệm vụ và được bố trí giống như cấu kiện bê tông cốt thép thường.
Cốt thép dự ứng lực có nhiệm vụ tạo ra ứng suất nén trước trong bê tơng. Cốt
thép dự ứng lực có thể đặt theo đường thẳng hoặc đường cong hoặc thẳng và cong.
Tại chỗ uốn cong thường có nội lực tiếp tuyến lớn nên cần gia cường cho bê tơng
tại đó bằng các lưới cốt thép gia cường. Tại đầu neo liên kết sẽ xuất hiên lực tập trung
lớn cũng cần phải gia cường cho bê tơng tại các vị trí này bằng các cốt thép gia cường
hoặc bản phân bố.

Hình 2.4. Sơ đồ bố trí cốt thép dự ứng lực [nguồn: internet]
2.2. Đánh giá cường độ bê tông theo tiêu chuẩn 5574-2012 Việt Nam
Để đánh giá được cường độ bê tông cần phải hiểu đúng các khái niệm về cường
độ bê tông theo các tiêu chuẩn thiết kế. Một số vấn đề về cường độ bê tơng áp dụng
trong tính tốn kết cấu theo TCXDVN 5574-2012 được trình bày trong [10]. Đối với
bê tông, chủ yếu quan tâm đến cường độ chịu nén (chú thích: có thể do thí nghiệm
đánh giá cường độ chịu nén dễ thực hiện và cho kết quả tin cậy hơn so với thí nghiệm
đánh giá các đặc trưng khác như kéo.
Cường độ bê tông tại thời điểm nén trước Rbp (được kiểm soát như đối với cấp độ
bền chịu nén) chỉ định không nhỏ hơn 11 MPa, cịn khi dùng thép thanh nhóm A-VI,
AT-VI, AT-VIK và AT-VII, thép sợi cường độ cao khơng có neo và thép cáp thì cần
chỉ định khơng nhỏ hơn 15,5 MPa. Ngồi ra, Rbp khơng được nhỏ hơn 50 % cấp độ

bền chịu nén của bê tông. Đối với các kết cấu được tính tốn chịu tải trọng lặp, khi sử