Mô phỏng số dầm thép bê tông cốt thép liên hợp

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
-----------³º------------

PHƯƠNG SÚNG

MÔ PHỎNG SỐ DẦM
THÉP-BÊTÔNG CỐT THÉP LIÊN HỢP

Chuyên ngành

: XÂY DỰNG DÂN DỤNG & CÔNG NGHIỆP

Mã số

: 605820

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 1 năm 2013


Cơng trình được hồn thành tại:
Trường Đại Học Bách Khoa- ĐHQG-HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. HỒ ĐỨC DUY
TS. NGÔ HỮU CƯỜNG
Cán bộ chấm nhận xét 1:
Cán bộ chấm nhận xét 2:
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại Học Bách Khoa- ĐHQG Tp-HCM
ngày…….tháng…….năm ……..
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

1……………………………………………………….
2……………………………………………………….
3……………………………………………………….
4……………………………………………………….
5……………………………………………………….

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA………………


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

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên

: PHƢƠNG SÚNG

MSHV

: 10210246

Ngày, tháng, năm sinh

: 07/01/1985

Nơi sinh

: Kiên Giang

Mã số

: 605820

Chun ngành: Xây dựng Cơng trình DD & CN
I.

TÊN ĐỀ TÀI: Mô phỏng số dầm thép-bê tông cốt thép liên hợp

II.

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
- Tìm hiểu các phần tử, mơ hình vật liệu và thuật tốn giải phi tuyến của phần mềm
phần tử hữu hạn 3 chiều ABAQUS.
- Mô phỏng các dầm liên hợp đơn giản chịu lực tập trung và phân bố đều, dầm liên tục
bằng phần mềm ABAQUS trong đó liên kết giữa dầm thép và sàn bê tông cốt thép
với liên kết chốt chịu cắt (phân bố đều và khơng đều, chốt bình thƣờng và chốt đàn
hồi), tƣơng tác tồn phần và khơng liên kết.
- So sánh các kết quả đạt đƣợc với thực nghiệm và
thủ tục và mơ hình thiết lập.
- Rút ra nhận xét và kết luận về khối lƣợng công việc đã thực hiện đƣợc.
- Đề xuất hƣớng phát triển của đề tài.

III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ

:

02/07/2012

IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ

:

30/11/2012

:

TS. HỒ ĐỨC DUY

V.

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

TS. NGÔ HỮU CƢỜNG

Tp. HCM, ngày . . . . tháng .. . . năm 20....
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)

BAN QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH
(Họ tên và chữ ký)

TS. HỒ ĐỨC DUY
TS. NGÔ HỮU CƢỜNG
TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG
(Họ tên và chữ ký)

LỜI CẢM ƠN

Em xin chân thành gửi lời cảm ơn đến người Thầy trực tiếp hướng dẫn luận án
cho em trong thời gian qua_TS Ngô Hữu Cường và TS Hồ Đức Duy. Thầy đã cung
cấp cho em nhiều tài liệu có giá trị, định hướng, hướng dẫn và truyền đạt kiến thức giúp
em hòan thành tốt luận văn này. Em cũng xin gửi lời cảm ơn đến thầy_TS Lê Văn
Phước Nhân, giảng viên kết cấu thép-bêtông cốt thép liên hợp, đã nhiệt tình giải đáp
các thắc mắc, giúp em hiểu rõ hơn bản chất của vấn đề. Em cũng bày tỏ lịng biết ơn
đến thầy_PGS.TS Chu Quốc Thắng vì sự động viên, khích lệ cũng như sự đánh giá
cao của thầy về phương án chọn lối đi mới cho luận văn_phương pháp mô phỏng, mà
theo thầy là tiết kiệm rất nhiều thời gian và vận dụng được tiến bộ của khoa học. Em
cũng xin cảm ơn thầy_TS Bùi Đức Vinh đã cho em những lời khuyên thiết thực, quí
giá ngay từ khi bảo vệ đề cương luận văn.
Bên cạnh đó, tơi cũng thành thật cảm ơn em Nguyễn Hồng Phương, bạn Thiều
Hà Khánh Duy, Nguyễn Tấn Phát, anh Phạm Quang Thuận-học viên cao học
XDDD & CN K2011, em Nguyễn Trọng Việt-học viên cao học XDDD & CN K2010
đã cung cấp cho tơi một số tài liệu hữu ích, đóng góp những ý kiến thiết thực cho luận
án này. Tôi cũng cảm ơn em Phạm Ngọc Anh Thư đã luôn bên cạnh, quan tâm cũng
như hỗ trợ tơi máy tính cấu hình mạnh để chạy chương trình.
Cuối cùng, con xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến Cha, Mẹ luôn là điểm tựa, cho con
niềm tin và động lực để sớm hoàn thành luận văn.


1

DANH M C HÌNH VẼ .................................................................................... 4
DANH M C BẢNG BIỂU ............................................................................... 9
DANH M C CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT .................................... 10

TÓM TẮT........................................................................................................ 11
ABSTRACT .................................................................................................... 11
CHƢƠNG I. TỔNG QUAN .............................................................................. 13
I.1. Đặt vấn đề .............................................................................................. 13
I.2. Tình hình nghiên cứu ............................................................................. 18
I.2.1 Ở ngoài nước ............................................................................... 18
I.2.2 Ở trong nước ................................................................................. 20
I.3. Mục tiêu của đề tài ................................................................................. 21
I.4. Cấu trúc của luận văn ............................................................................ 22
CHƢƠNG II. MÔ HÌNH PHẦN TỬ HỮU HẠN ABAQUS .......................... 24
II.1. Giới thiệu .............................................................................................. 24
II.1.1 Phần tử khối ................................................................................ 24
II.1.2 Phần tử thanh .............................................................................. 25
II.2. Mơ hình vật liệu ................................................................................... 26
II.2.1 Bêtơng khi chịu nén ..................................................................... 26
II.2.2 Bêtông khi chịu kéo ..................................................................... 27
II.2.3 Thép hình ..................................................................................... 30
II.2.4 Thép thanh ................................................................................... 30
II.2.5 Chốt liên kết ................................................................................. 31
II.3. Ràng buộc và tương tác ........................................................................ 32
II.3.1 Ràng buộc (constraint) ................................................................ 32
II.3.2 Tương tác (interaction) ............................................................... 33
II.4. Điều kiện biên và tải trọng ................................................................... 38
II.4.1 Điều kiện biên (boundary conditions) ......................................... 38
II.4.2 Điều kiện tải trọng (loading conditions) ..................................... 38


2

CHƢƠNG III. THUẬT TOÁN GIẢI PHI TUYẾN TRONG ABAQUS ....... 39

III.1. Giải bài toán phi tuyến [5] .................................................................. 39
III.2. Thuật toán Riks hiệu chỉnh (Modified Riks algorithm)[4] ................. 43
CHƢƠNG IV. MÔ PHỎNG SỐ ....................................................................... 50
IV.1. Dầm đơn giản U4 ................................................................................ 50
IV.1.1 Đặc trưng hình học..................................................................... 50
IV.1.2 Đặc trưng vật liệu....................................................................... 52
IV.1.3 Quan hệ lực và chuyển vị ........................................................... 53
IV.1.4 Ứng xử trượt tại mặt tiếp xúc ..................................................... 59
IV.1.5 Hướng nứt (crack directions) trong sàn bêtông ......................... 63
IV.1.6 Phân bố ứng suất ........................................................................ 64
IV.2. Dầm đơn giản E1 ................................................................................ 66
IV.2.1 Đặc trưng hình học..................................................................... 66
IV.2.2 Đặc trưng vật liệu....................................................................... 68
IV.2.3 Quan hệ lực và chuyển vị ........................................................... 69
IV.2.4 Ứng xử trượt tại mặt tiếp xúc ..................................................... 73
IV.2.5 Hướng nứt (crack directions) trong sàn bêtông ......................... 75
IV.2.6 Phân bố ứng suất ........................................................................ 76
IV.3. Dầm đơn giản AM .............................................................................. 77
IV.3.1 Đặc trưng hình học..................................................................... 77
IV.3.2 Đặc trưng vật liệu....................................................................... 78
IV.3.3 Quan hệ lực và chuyển vị ........................................................... 80
IV.3.4 Hướng nứt (crack directions) trong sàn bêtông ......................... 84
IV.3.5 Phân bố ứng suất ........................................................................ 85
IV.4. Dầm liên tục CTB3 ............................................................................. 86
IV.4.1 Đặc trưng hình học..................................................................... 86
IV.4.2 Đặc trưng vật liệu....................................................................... 87
IV.4.3 Quan hệ lực và chuyển vị ........................................................... 88
IV.4.4 Quan hệ lực và độ cong .............................................................. 91
IV.4.5 Quan hệ lực và biến dạng........................................................... 93
IV.4.6 Hướng nứt (crack directions) trong sàn bêtông ......................... 94

IV.4.7 Phân bố ứng suất ........................................................................ 95


3

CHƢƠNG V. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................... 97
V.1. Kết luận ................................................................................................ 97
V.2. Kiến nghị .............................................................................................. 98
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................. 99
LÝ LỊCH TRÍCH NGANG .......................................................................... 103


4

DANH M C HÌNH VẼ
Hình I-1 Liên kết giữa dầm thép và sàn bêtơng [2].......................................... 15
Hình I-2 Các hình thức liên kết cơ học [1] ....................................................... 15
Hình I-3 Hàn chốt liên kết vào dầm thép[1] ..................................................... 16
Hình I-4 Liên kết trước và sau khi biến dạng ................................................... 16
Hình I-5 Tương tác chịu cắt [1] ........................................................................ 17
Hình II-1 Phần tử Abaqus sử dụng ................................................................... 25
Hình II-2 Quan hệ ứng suất-biến dạng bêtơng khi chịu nén ............................ 27
Hình II-3 Quan hệ ứng suất-biến dạng bêtơng khi chịu kéo ............................ 28
Hình II-4 Mơ hình Linear tension stiffening .................................................... 29
Hình II-5 Mơ hình Hordijk tension stiffening .................................................. 29
Hình II-6 Quan hệ ứng suất-biến dạng thép với tái bền tuyến tính .................. 30
Hình II-7 Biến dạng, ứng suất uốn và cắt ......................................................... 34
Hình II-8 Nén vỡ bêtơng tại chân liên kết ........................................................ 35
Hình II-9 Ứng xử theo phương tiếp tuyến ........................................................ 36
Hình II-10 Ứng xử theo phương pháp tuyến .................................................... 36

Hình II-11 Các tương tác sử dụng .................................................................... 37
Hình II-12 Tương tác giữa sàn và cánh trên dầm ............................................. 37
Hình III-1 Đường cong lực-chuyển vị phi tuyến [5] ........................................ 39
Hình III-2 Ngoại lực và nội lực trên vật thể [5] ............................................... 41
Hình III-3 Bước lặp đầu tiên [5] ....................................................................... 42
Hình III-4 Bước lặp thứ 2 [5] ........................................................................... 43
Hình III-5 Ứng xử khơng ổn định điển hình [4]............................................... 44


5

Hình III-6 Thuật tốn Riks hiệu chỉnh [4] ........................................................ 46
Hình III-7 Ví dụ về lựa chọn sai dấu

[4] .................................................... 47

Hình IV-1 Chi tiết dầm U4 ............................................................................... 51
Hình IV-2 Mặt cắt ngang dầm U4 .................................................................... 51
Hình IV-3 Mơ hình ¼ dầm U4 ......................................................................... 51
Hình IV-4 Mơ hình thí nghiệm dầm U4 [7] ..................................................... 52
Hình IV-5 Điểm đo chuyển vị .......................................................................... 53
Hình IV-6 Quan hệ giữa lực và chuyển vị giữa nhịp dầm ............................... 54
Hình IV-7 Chuyển vị đứng ở cấp tải 959.6kN ................................................. 55
Hình IV-8 Mơ hình Linear tension stiffening .................................................. 55
Hình IV-9 Ảnh hưởng mơ hình Linear tension stiffening đến chuyển vị ........ 56
Hình IV-10 Mơ hình Hordijk tension stiffening .............................................. 56
Hình IV-11 Ảnh hưởng mơ hình Hordijk tension stiffening đến chuyển vị .... 57
Hình IV-12 Ảnh hưởng của tương tác đến chuyển vị ...................................... 57
Hình IV-13 Ảnh hưởng của yếu tố phi tuyến đến chuyển vị ........................... 58
Hình IV-14 So sánh trượt tại mặt tiếp xúc ....................................................... 61

Hình IV-15 Ứng suất S33 trong sàn ................................................................. 62
Hình IV-16 Chuyển vị ngang của dầm U4_cấp tải 959.6kN ........................... 63
Hình IV-17 Hướng nứt mặt trên sàn bêtông ở cấp tải lớn nhất (959.6 kN) ..... 64
Hình IV-18 Hướng nứt mặt dưới sàn bêtơng ở cấp tải lớn nhất (959.6 kN) .... 64
Hình IV-19 Phân bố ứng suất ở trạng thái biến dạng trong chốt liên kết ........ 65
Hình IV-20 Ứng suất trong cốt thép ở cấp tải trọng 959.6kN.......................... 66
Hình IV-21 Chi tiết dầm E1 ............................................................................. 67
Hình IV-22 Mặt cắt ngang dầm E1 .................................................................. 67


6

Hình IV-23 Mơ hình thí nghiệm dầm chịu tải tập trung .................................. 67
Hình IV-24 Quan hệ giữa lực và chuyển vị giữa nhịp dầm ............................. 69
Hình IV-25 Chuyển vị đứng ở cấp tải 502.4kN ............................................... 70
Hình IV-26 Mơ hình Linear tension stiffening ................................................ 70
Hình IV-27 Ảnh hưởng mơ hình Linear tension stiffening đến chuyển vị ...... 71
Hình IV-28 Mơ hình Hordijk tension stiffening .............................................. 71
Hình IV-29 Ảnh hưởng mơ hình Hordijk tension stiffening đến chuyển vị .... 72
Hình IV-30 Ảnh hưởng của tương tác đến chuyển vị ...................................... 72
Hình IV-31 Ảnh hưởng yếu tố phi tuyến đến chuyển vị .................................. 73
Hình IV-32 So sánh trượt tại mặt tiếp xúc ....................................................... 73
Hình IV-33 Chuyển vị ngang của dầm E1_cấp tải 502.4kN ............................ 74
Hình IV-34 Ứng suất S33 sàn ở cấp tải 502.4kN ............................................. 74
Hình IV-35 Hướng nứt mặt trên sàn bêtơng ở cấp tải 502.4kN ....................... 75
Hình IV-36 Hướng nứt mặt dưới sàn bêtơng ở cấp tải 502.4kN ...................... 75
Hình IV-37 Phân bố ứng suất trong chốt liên kết............................................. 76
Hình IV-38 Ứng suất trong cốt thép ở cấp tải trọng 502.4kN.......................... 77
Hình IV-39 Chi tiết dầm AM ........................................................................... 77
Hình IV-40 Mặt cắt ngang dầm AM ................................................................ 78

Hình IV-41 Tải trọng và nứt dầm thí nghiệm AM ........................................... 78
Hình IV-42 Quan hệ giữa lực và chuyển vị giữa nhịp dầm ............................. 80
Hình IV-43 Chuyển vị đứng ở cấp tải 572kN .................................................. 81
Hình IV-44 Mơ hình Linear tension stiffening ................................................ 81
Hình IV-45 Ảnh hưởng của mơ hình Linear tension stiffening đến chuyển vị 82
Hình IV-46 Mơ hình Hordijk tension stiffening .............................................. 82


7

Hình IV-47 Ảnh hưởng của mơ hình Hordijk tension stiffening đến chuyển vị83
Hình IV-48 Ảnh hưởng của tương tác đến chuyển vị ...................................... 83
Hình IV-49 Ảnh hưởng của yếu tố phi tuyến đến chuyển vị ........................... 84
Hình IV-50 Hướng nứt mặt dưới sàn bêtơng ở cấp tải 572kN ......................... 84
Hình IV-51 Ứng suất S33 trong dầm ở cấp tải 572kN ..................................... 85
Hình IV-52 Ứng suất trong cốt thép ở cấp tải 572kN ...................................... 85
Hình IV-53 Chi tiết dầm CTB3 ........................................................................ 86
Hình IV-54 Mặt cắt ngang qua gối ................................................................... 86
Hình IV-55 Mặt cắt ngang qua nhịp ................................................................. 86
Hình IV-56 Quan hệ giữa lực và chuyển vị giữa nhịp dầm ............................. 88
Hình IV-57 Chuyển vị đứng ở cấp tải 584.4kN ............................................... 88
Hình IV-58 Mơ hình Linear tension stiffening ................................................ 89
Hình IV-59 Ảnh hưởng mơ hình Linear tension stiffenening đến chuyển vị .. 89
Hình IV-60 Mơ hình Hordijk tension stiffening .............................................. 90
Hình IV-61 Ảnh hưởng mơ hình Hordijk tension stiffenening đến chuyển vị 90
Hình IV-62 Ảnh hưởng của yếu tố phi tuyến đến chuyển vị ........................... 91
Hình IV-63 Đường cong giả định qua 3 điểm.................................................. 91
Hình IV-64 Độ cong giữa nhịp dầm ................................................................. 93
Hình IV-65 Độ cong cách gối tựa giữa 150mm ............................................... 93
Hình IV-66 Biến dạng cánh dưới cách gối tựa giữa 150mm ........................... 93

Hình IV-67 Hướng nứt mặt trên sàn ở cấp tải 584.4kN ................................... 94
Hình IV-68 Hướng nứt mặt dưới sàn ở cấp tải 584.4kN.................................. 94
Hình IV-69 Ứng suất trong sàn ở cấp tải 584.4kN .......................................... 95
Hình IV-70 Ứng suất trong dầm ở cấp tải 584.4kN ......................................... 96


8

Hình IV-71 Ứng suất trong cốt thép ở cấp tải 584.4kN ................................... 96


9

DANH M C BẢNG BIỂU

Bảng I-1 So sánh dầm liên hợp và dầm BTCT [1] ........................................... 14
Bảng I-2 So sánh dầm liên hợp và dầm thép [1] .............................................. 14
Bảng II-1 Thông số phá hoại vật liệu của chốt liên kết.................................... 32
Bảng IV-1 Đặc trưng vật liệu dầm U4 ............................................................. 52
Bảng IV-2 Phân phối trượt dọc dầm_cấp tải 81T (794.61kN) ......................... 60
Bảng IV-3 Phân phối trượt dọc dầm_cấp tải 90T (882.9kN) ........................... 60
Bảng IV-4 Phân phối trượt dọc dầm_cấp tải 97T (951.57kN) ......................... 61
Bảng IV-5 Đặc trưng vật liệu dầm E1 .............................................................. 68
Bảng IV-6 Đặc trưng vật liệu dầm AM ............................................................ 78
Bảng IV-7 Đặc trưng vật liệu dầm CTB3 ........................................................ 87


10

DANH M C CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

σc

ứng suất nén của bêtông

εc

biến dạng của bêtông

εc'

biến dạng tương ứng với cường độ nén f c'

γm

thông số được dùng định nghĩa đường cong ứng suất-biến dạng của bêtông

Ec

module đàn hồi của bêtông

Es

module đàn hồi của thép

f c'

cường độ chịu nén của bêtơng (mẫu hình trụ)

f ct

cường độ chịu kéo của bêtông

f sy

ứng suất chảy dẻo của thép

f su

ứng suất cực hạn của thép

ν

hệ số poisson

εsu

biến dạng cực hạn

b

chiều rộng bản sàn bêtông

d

chiều dày sàn bêtông

bf

chiều rộng cánh dầm thép

L

nhịp dầm

tf

chiều dày bản cánh dầm thép

tw

chiều dày bản bụng dầm thép

h

chiều cao dầm thép


11

TĨM TẮT
Dầm liên hợp thép-bêtơng cốt thép với liên kết chốt chịu cắt là đối tượng nghiên
cứu của luận văn này. Chương trình phần tử hữu hạn 3 chiều Abaqus được chọn làm
công cụ phục vụ cho việc mô phỏng cấu kiện liên hợp. Kết quả phân tích được so sánh
với các kết quả thực nghiệm và phân tích số của các nghiên cứu trước trên thế giới để
kiểm chứng độ tin cậy của qui trình và mơ hình mơ phỏng. Mục tiêu của luận văn này
là nghiên cứu ứng xử phi tuyến của dầm liên hợp thông qua việc thiết lập mơ hình phần
tử hữu hạn abaqus phù hợp. Ngồi ra, để hình dung ảnh hưởng của các yếu tố phi tuyến
đến ứng xử của dầm, bài toán đàn hồi và phi tuyến vật liệu cũng được xét đến và so
sánh. Thêm nữa, khả năng chịu lực của dầm cũng được xét trong mối tương quan với

mức độ tương tác giữa sàn và dầm thép là tương tác toàn phần, bán phần hay không liên
kết để làm rõ sự đóng góp của từng yếu tố. Hiệu ứng kể đến sự tương tác giữa cốt thép
và bêtông như sự trượt và lực dính được kể đến thơng qua bổ sung mơ hình tension
stffening vào trong mơ hình vật liệu bêtơng để mô phỏng sự truyền lực qua vết nứt đến
các thanh thép bên trong.

ABSTRACT
Stud connected steel-concrete composite beam is the main object of this thesis.
Three dimensional finite element package ABAQUS was adopted herein as a
simulation tool. The obtained results are compared with experimental and numerical
results of previous studies to validate the reliability of the modeling procedure and
model. The aim of this study is to trace and understand the nonlinear behavior of
composite beam subjected to static loading by developing an appropriate finite element
model. Besides, to imagine how the nonlinear factors affected to the behavior of
composite beam in the cases of elastic and inelastic analyses. The load bearing
capability of the beams was also investigated according to the degree of shear
interaction between the slabs and the steel beams in the cases of complete interaction,
partial interaction or no connection. Effects associated with the rebar/concrete interface,


12

such as bond slip and dowel action, were approximately modeled by introducing some
―tension stiffening‖ into the concrete modeling to simulate the load transfer across
cracks through the rebar.


13

hƣơng I. TỔNG QUAN

I.1. Đặt vấn đề
Ngoài kết cấu bê tông cốt thép, sự kết hợp các vật liệu xây dựng quan trọng nhất
và thường gặp nhất là sự kết hợp giữa thép kết cấu và bêtông, mà đã được ứng dụng
rộng rãi cho các cơng trình dân dụng và cầu. Mặc dù có những điểm khác nhau về ứng
xử kết cấu, hai loại vật liệu này bổ sung những ưu điểm cho nhau:
 Bêtông chịu nén tốt, trong khi thép kết cấu chịu kéo và nén đều tốt.
 Cấu kiện thép tương đối mảnh và dễ mất ổn định dưới tác dụng của lực nén,
cịn bêtơng có khả năng chống lại sự mất ổn định.
 Bêtông bảo vệ thép kết cấu khỏi sự ăn mòn, tăng cường khả năng chịu lửa.
 Thép kết cấu góp phần tạo nên sự dẻo dai cho kết cấu.
Sự kết hợp vật liệu như trên tạo nên kết cấu liên hợp thép-bêtông hay thép-bêtông
cốt thép. Kết cấu liên hợp có nhiều dạng: dầm liên hợp, cột liên hợp, sàn liên hợp…
trong đó kết cấu dầm thép-bêtông cốt thép liên hợp là dạng kết cấu thông dụng và quan
trọng cho hệ dầm sàn nhà cao tầng, sẽ là đối tượng nghiên cứu của luận văn này. Để
tiện lợi, từ đây thuật ngữ ―dầm liên hợp‖ sẽ được dùng thay cho từ ―dầm thép-bêtông
cốt thép liên hợp‖.
Ngồi những ưu điểm nói trên đối với kết cấu liên hợp thép – bêtơng nói chung,
dầm liên hợp nói riêng cịn có những điểm nổi bật:
 Khả năng chịu lực của vật liệu tăng do thép chịu lực là chính làm giảm kích
thước của các cấu kiện, kết cấu sẽ thanh mảnh hơn so với kết cấu bêtông cốt
thép thông thường, không gian sử dụng và hiệu quả kiến trúc tăng.
 Tấm tole sóng (profiled steel sheeting) phía dưới sàn đóng vai trị vừa là sàn
thao tác khi thi cơng, vừa là cốp pha đổ bêtơng, đồng thời có tác dụng như
cốt thép lớp dưới của sàn khi chịu lực.
Để dễ hình dung, tác giả lấy bảng so sánh trong Eurocode 4 [1] để minh họa: Bảng
I-1 cho thấy tiết diện của dầm liên hợp và dầm bê tông cốt thép (BTCT) tương ứng chịu
cùng một điều kiện tải trọng. Bảng I-2 so sánh giữa dầm liên hợp và hai dầm thép có
tiết diện khác nhau, khơng có liên kết chốt chịu cắt với sàn bêtông. Khi cùng chịu lực

14

như nhau, thì dầm liên hợp có trọng lượng thép nhỏ hơn, chiều cao dầm trung bình và
độ cứng của dầm cao hơn so với dầm thép làm việc độc lập với sàn bêtông.
Bảng I-1 So sánh dầm liên hợp và dầm BTCT [1]

Bảng I-2 So sánh dầm liên hợp và dầm thép [1]

Có thể kể sơ lược một số cơng trình tiêu biểu sử dụng dầm liên hợp cũng như kết
cấu liên hợp như tòa nhà 55 tầng Millennium Tower ở Vienna - Áo, với diện tích sàn
1000m2, cao 202m được xây dựng chỉ trong vòng 8 tháng [1]; tòa nhà 15 tầng Citibank
Duisburg ở Duisburg - Đức với tổng chiều cao 72m, tổng diện tích sàn 14500m2 [1]…
Ở trong nước, kết cấu liên hợp thép-bêtơng cốt thép nói chung vẫn còn khá mới mẻ, tuy
nhiên một số dự án đã áp dụng thành công công nghệ này như Sân bay quốc tế Cần
Thơ, nhà điều hành sân bay Tân Sơn Nhất, Diamond Plaza…


15

Trong dầm liên hợp, dầm thép và sàn bêtông cũng làm việc với nhau thơng qua
các hình thức liên kết chịu cắt (shear connection). Có 2 hình thức liên kết cơ bản:
 Liên kết hóa học dính (bond hoặc adhesion) tại mặt tiếp xúc giữa bề mặt cánh
trên của dầm thép và mặt dưới của sàn bêtơng (concrete-steel interface).

Hình I-1 Liên kết giữa dầm thép và sàn bêtông [2]

 Liên kết cơ học (shear connectors)

Hình I-2 Các hình thức liên kết cơ học [1]
Trong phạm vi nghiên cứu của luận văn, tác giả nghiên cứu ứng xử của dầm liên

hợp với hình thức liên kết giữa dầm thép và sàn bêtông là các chốt liên kết (shear stud).
Các chốt liên kết này được hàn vào cánh trên của dầm để tạo nên sự làm việc đồng thời
của sàn bêtông và dầm thép.


16

Hình I-3 Hàn chốt liên kết vào dầm thép[1]
Sự tương tác liên hợp này giúp tăng đáng kể cường độ cũng như độ cứng của dầm
tùy thuộc vào mức độ liên kết chịu cắt (degree of shear connection). Sự tương tác này
phụ thuộc vào các yếu tố:
(1) số lượng liên kết kháng cắt
(2) ứng suất dọc trung bình sàn bêtơng ở vị trí quanh liên kết
(3) đường kính, mật độ và cường độ của thép sàn lân cận liên kết
(4) chiều dày sàn
(5) ma sát tại mặt tương tác
(6) cường độ bêtông sàn
(7) sự lèn chặt bêtông tại chân của liên kết
trượt

sàn bê tông

độ dãn dài

chốt chịu cắt
dầm thép

cánh trên
mối hàn

Hình I-4 Liên kết trước và sau khi biến dạng


17

Tùy thuộc vào sự trượt tương đối của sàn bêtông so với dầm mà ta có hình thức
liên kết là tồn phần, bán phần và khơng tương tác.
tồn phần

bán phần

khơng

Hình I-5 Tương tác chịu cắt [1]
Dầm liên hợp đơn giản (simply supported composite beam) được gọi tắt là dầm
SCB hay dầm liên hợp liên tục (continuous composite beam) được gọi tắt là dầm CCB
dưới tác dụng của tải trọng đứng sẽ có ứng xử cắt và uốn đồng thời. Khả năng chịu uốn
cực hạn của dầm liên hợp theo tiêu chuẩn hiện hành như AS 2327 (1996), Eurocode 4
[1] và LRFD (1999) có kể đến vai trị của sàn bêtơng và tương tác liên hợp. Tuy nhiên,
các tiêu chuẩn thiết kế hồn tồn bỏ qua vai trị chịu lực cắt của sàn bê tông mà cho
rằng bản thép bụng của dầm thép chịu hoàn toàn lực cắt giống như tiết diện không phải
là liên hợp. Nguyên nhân là do không thể thiết lập mơ hình tính đơn giản để phân phối
lực cắt vì sự phân phối này phụ thuộc vào vị trí của các liên kết và việc hình thành các
vết nứt trong bản sàn ở gối tựa trung gian của dầm CCB [3]. Do vậy, giả định này rõ
ràng sẽ dẫn đến sự thiết kế không xác thực và thuyết phục.
Thực nghiệm cho thấy sàn bê tông cũng như sự tương tác liên hợp giúp tăng đáng
kể cường độ chịu cắt và uốn của dầm CCB. Johnson and Willmington (1972) [15] đã
chỉ ra rằng thép dọc trong bản sàn cũng góp phần gia tăng khả năng kháng cắt và độ
cứng của dầm liên hợp liên tục. Cường độ cực hạn và hình thức phá hoại của CCB đã
được nghiên cứu bằng phương pháp thực nghiệm bởi Hamada và Longworth (1976)

[16]. Họ đưa ra kết luận rằng nếu các dạng phá hủy khác được ngăn chặn thì dầm chủ


18

yếu bị phá hoại do sự ép vỡ bê tông ở vùng moment dương và mất ổn định cục bộ cánh
dưới ở vùng moment âm..
I.2. Tình hình nghiên cứu
I.2.1 Ở ngoài nước
Ứng xử phi tuyến của dầm liên hợp với liên kết chịu cắt là các chốt liên kết (stud
connected Steel-Concrete Composite girder gọi tắt là dầm SCC) đã được một số tác giả
nghiên cứu cả bằng phương pháp thực nghiệm lẫn phương pháp số. Với phương pháp
thực nghiệm có thể kể một số tác giả như Chapman và Balakrishnan [7], Amar Prakash
và cộng sự [9], Ansourian [11], Nie và đồng nghiệp [17], Jurkiewiez và Braymand [18],
Chen và cộng sự [19]. Với phương pháp số có các nghiên cứu như Yong-Lin Pi và đồng
nghiệp [10], Quang Huy Nguyen và cộng sự [14], Abdollahin (1996) [20], Ayoub
(2005) [21], Yam và Chapman (1968) [22]. Ngoài ra, một số nghiên cứu khác ứng dụng
mơ hình phần tử hữu hạn 3 chiều khảo sát ứng xử của dầm liên hợp và so sánh với kết
quả thực nghiệm [8], [9], [12], [13].
Tác giả Chapman và Balakrishnan đã tiến hành thí nghiệm trên 17 dầm liên hợp
đơn giản [7] với liên kết chịu cắt là chốt liên kết hàn (welded studs) với các khoảng
cách khác nhau, chịu tác dụng của tải trọng tập trung và tải trọng phân bố đều. Nghiên
cứu đưa ra đề nghị chỉ nên thiết kế chốt liên kết với 80% khả năng chịu lực cực hạn xác
định theo thí nghiệm. Tác giả Liang QQ và cộng sự [8] đã tiến hành mô phỏng ứng xử
của dầm đơn giản E1, có xét đến phi tuyến hình học và phi tuyến vật liệu, so sánh với
kết quả của Chapman và Balakrishnan [7] bằng chương trình Abaqus v6.3 để khảo sát
cường độ kháng cắt và uốn cực hạn của dầm liên hợp có xét đến phi tuyến hình học và
phi tuyến vật liệu. Tải trọng dự đoán đạt được 95.3% so với thực nghiệm, nhưng quan
hệ lực-chuyển vị lệch nhiều khi tải vượt mức 300kN, chuyển vị lúc phá hoại chỉ đạt
50mm trong khi giá trị thực nghiệm là 94mm. Tuy nhiên, tác giả đã đề xuất mơ hình

thiết kế kháng cắt cho dầm có xét đến ảnh hưởng của sàn bêtông, tương tác liên hợp và
tương tác momen-lực cắt. Tác giả Amar Prakash [9] tiến hành thí nghiệm dầm SCC kết
hợp với ứng dụng chương trình phần tử hữu hạn Abaqus để khảo sát độ võng giữa dầm,


19

sự trượt tại mặt tiếp xúc thép-bêtông, ứng xử nứt và nén vỡ của bêtông, chảy dẻo và
mất ổn định cục bộ của cánh dầm thép.
Tác giả Ansourian [11] tiến hành thí nghiệm 6 dầm SCC hai nhịp, mỗi nhịp dài
4.5m. Các thí nghiệm của Ansourian cho thấy sàn bê tơng trong CCB chịu đồng thời
uốn và cắt có khả năng chịu được 20% tổng lực cắt. Tương tự cách làm trong bài báo
[8], tác giả Liang QQ và cộng sự [12] cũng đã mô phỏng lại dầm CTB3 và so sánh với
kết quả thực nghiệm của Ansourian [11], tải trọng dự đoán đạt được 97.2% so với thực
nghiệm, nhưng đường cong lực-chuyển vị bắt đầu lệch nhau khi tải trọng đạt 400kN.
Trong phương pháp số, tác giả Yong-Lin Pi và đồng nghiệp [10] đề xuất mơ hình
phần tử hữu hạn Lagrangian tổng thể (a total Lagrangian finite element model) để phân
tích ứng xử phi đàn hồi bậc 2 của cột và dầm liên hợp. Đường đàn hồi từ kết quả phân
tích gần như trùng với kết quả thực nghiệm. Tác giả Quang Huy Nguyen và cộng sự [14]
đề xuất mơ hình phần tử hữu hạn kết hợp để khảo sát ứng xử phi tuyến của dầm CTB3
[11], với các chốt liên kết phân bố rời rạc ở vùng momen âm. Mơ hình tension
stiffening cũng được xét đến, kết quả so sánh với thực nghiệm cho thấy mơ hình đề
xuất dự đoán khá tốt ứng xử tổng thể của dầm liên tục CTB3.
Trong 1 nghiên cứu khác, phần tử thanh được sử dụng bởi Razaqpur và Nofal
(1989) [23] để mô phỏng các chốt liên kết chịu cắt trong dầm liên hợp. Đặc trưng về độ
cứng của phần tử dầm được định nghĩa qua mối liên hệ giữa cắt và trượt được rút từ kết
quả thực nghiệm. Salari và cộng sự (1998) [24] trình bày phần tử dầm liên hợp ứng xử
phi tuyến. Mơ hình các lị xo phân bố đều được dùng để mơ phỏng liên kết chịu cắt.
Chương trình phần tử hữu hạn được phát triển bởi Sebastian và Connel (2000) [25] cho
việc phân tích phi tuyến dầm liên tục. Ngoài ra, Fabbrocino và cộng sự (2000) [26] đề

nghị mơ hình động học cụ thể cho việc phân tích dầm CCB. Liang và đồng nghiệp
(2003) [12] cũng đã tiến hành phân tích phần tử hữu hạn ứng xử phi tuyến đối với dầm
liên hợp tựa đơn chịu uốn và cắt đồng thời. Họ đề nghị mơ hình thiết kế mà kể đến sự
đóng góp của sàn bêtơng và sự tương tác liên hợp đến cường độ kháng cắt và sự tương
tác về cường độ của dầm liên hợp tựa đơn.


20

I.2.2 Ở trong nước
Trong nước, cũng có một số tác giả nghiên cứu ở những khía cạnh có liên quan.
Trong đó, phải kể đến bài báo phân tích dầm thép-bêtơng liên hợp có xét đến biến dạng
trượt do tương tác khơng tồn phần của liên kết chịu cắt bằng phương pháp ma trận độ
cứng trực tiếp của Nguyễn Văn Chúng và thầy Bùi Công Thành [31]. Phương pháp này
không cần xấp xỉ hàm chuyển vị qua các đa thức hàm dạng. Ma trận độ cứng K được
xác định trực tiếp bằng cách gán các chuyển vị đơn vị cho các thành phần chuyển vị của
véc tơ chuyển vị của phần tử. Nhóm tác giả Lê Lương Bảo Nghi và thầy Bùi Cơng
Thành [32] nghiên cứu phân tích phi tuyến dầm liên hợp có xét đến tương tác bán phần
do biến dạng của liên kết chống cắt bằng phương pháp phần tử hữu hạn dựa trên chuyển
vị. Ứng xử phi tuyến của vật liệu và liên kết chống cắt cũng được xét đến. Nghiên cứu
này đã giải bài toán dầm đơn giản và dầm hai nhịp và đạt được kết quả chuyển vị khá
sát với kết quả thực nghiệm của Chapman và Balakrishnan [7], cũng như của Ansourian
[11]. Chuyển vị đứng và chuyển vị trượt khi xét đến nứt và không nứt bêtông dầm cũng
đã được khảo sát. Luận văn thạc sỹ của Đặng Hoàng Tùng (2006) [33] nghiên cứu ảnh
hưởng của lực cắt trong dầm thép-bê tông cốt thép liên hợp với liên kết chịu cắt là chốt
liên kết, thông qua việc thiết lập mơ hình phần tử hữu hạn ―chính xác‖ và so sánh với
kết quả mơ phỏng bằng Ansys. Tương tác giữa sàn và dầm thép được đơn giản hóa
bằng các lị xo có độ cứng được tính từ công thực thực nghiệm. Tác giả đã xét đến các
trường hợp quan hệ giữa lực cắt và trượt là tuyến tính, là phi tuyến nhưng vẫn chưa xét
đến bài tốn phi tuyến vật liệu và phi tuyến hình học. Luận văn thạc sĩ của Lê Phương

Bình (2010) [34] áp dụng phương pháp vùng dẻo để khảo sát ứng xử khung bê tơng
thép liên hợp tương tác tồn phần và dầm liên hợp tương tác bán phần. Ma trận độ cứng
phần tử dầm liên hợp có kể đến ứng xử tương tác bán phần giữa dầm thép và sàn bê
tông được đề xuất và một chương trình phân tích phi tuyến kết cấu bằng phương pháp
phần tử hữu hạn đã được phát triển để dự đoán ứng xử kết cấu của dầm sàn và khung
liên hợp. Nhóm tác giả gồm Huỳnh Phúc Linh và thầy Hồ Hữu Chỉnh (2011) trình bày
lý lý thuyết tính tốn và ứng dụng chương trình Ansys mơ phỏng dầm liên hợp có thép
hình chữ I nằm hồn tồn trong bêtơng cốt thép (dầm FEB - fully encased beam) để
khảo sát ứng xử bền và độ võng nứt của dầm, so sánh với kết quả thực nghiệm. Các


21

đường quan hệ tải trọng và độ võng từ mô phỏng PTHH có hiệu chỉnh độ cứng uốn
dầm FEB khá phù hợp với kết quả thí nghiệm và kết quả tính tốn lý thuyết.
Tác giả chưa tìm thấy nghiên cứu nào về mơ phỏng dầm liên hợp bằng chương
trình phần tử hữu hạn Abaqus.
I.3. Mục tiêu của đề tài
Tác giả ứng dụng chương trình phần tử hữu hạn Abaqus 6.10.01 để mô phỏng,
nghiên cứu ứng xử của dầm liên hợp có xét đến phi tuyến vật liệu và phi tuyến hình học
và so sánh kết quả với thực nghiệm. Để tăng độ tin cậy cũng như tính khách quan trong
việc đánh giá độ chính xác của mơ hình thiết lập, tác giả mơ phỏng lại các thí nghiệm
nổi tiếng đã được công bố trong các bài báo quốc tế, cụ thể: 2 dầm đơn giản E1, U4
được thí nghiệm bởi Chapman và Balakrishnan [7], 1 dầm đơn giản AM của Amar
Prakash và cộng sự [9] và 1 dầm liên tục CTB3 của Ansourian [11]. Các kết quả thí
nghiệm này cũng được các tác giả khác trên thế giới mô phỏng và phân tích lại để đánh
giá độ tin cậy của chương trình phân tích do họ tự phát triển hoặc kiểm tra kết quả của
các mơ hình dùng chương trình phần tử hữu hạn 3 chiều ABAQUS, ANSYS hoặc
ADINA...
Việc ứng dụng chương trình mơ phỏng Abaqus vào việc phân tích ứng xử của

kết cấu giúp mô tả gần như thật các hiện tượng phức tạp như số lượng, vị trí, hình dạng
của chốt liên kết, kích thước dầm, sàn, cốt thép, vật liệu… sẽ tạo nên 1 ứng xử tổng thể
mà việc tính tốn thơng thường dường như là khơng thể kể đến hết được. Hơn thế nữa,
tận dụng được thế mạnh của chương trình sẽ giúp giải quyết hiệu quả khối lượng lớn
công việc, đặc biệt đối với những kết cấu phức tạp gặp trong thực tế mà các tiêu chuẩn
tính tốn khơng đề cập đến hoặc tính q an toàn.