Đang tải... (xem toàn văn)
Tính đến cuối năm 2014, cả nước ta có 221.115 km đường bộ, trong đó có 17.295 km đường quốc lộ. Giao thông vận tải nói chung, và giao thông đường bộ nói riêng có tầm quan trọng đặc biệt đối với sự phát triển của kinh tế xã hội, nó được ví như những huyết mạch của nền kinh tế quốc dân. Do đó trong những năm gần đây, Đảng và nhà nước ta đã quan tâm đến việc đầu tư xây dựng và phát triển hệ thống giao thông đường bộ, đã ban hành nhiều chủ trương chính sách nhằm từng bước phát triển và mở rộng hệ thống giao thông đường bộ với phương châm nhà nước, các tổ chức, thành phần kinh tế và toàn dân cùng xây dựng và phát triển giao thông vận tải. Các dự án lớn liên tiếp được đầu tư, hoàn thành từng bước nhằm hoàn thiện mạng lưới đường quốc gia, trong đó có các dự án lớn như QL1, đường Xuyên Á, đường Hồ Chí Minh, QL5, QL 10, QL 18... được đầu tư xây dựng đã tạo nên một sự phát triển nhảy vọt cho mạng lưới đường bộ quốc gia.Tính cấp thiết của vấn đề nghiên cứuTuy nhiên, một vấn đề gặp phải đối với hệ thống đường ô tô của nước ta đã được xây dựng trước đây là khi số trục xe thông qua vượt quá số trục tương đương thiết kế hay khi mặt đường xe chạy bị hư hỏng nghiêm trọng do nhiều nguyên nhân khác nhau, đã gây ảnh hưởng rất lớn đối với sự an toàn cũng như tính tiện nghi khi chạy xe, ngoài ra còn gây nên những hậu quả tiêu cực về mặt xã hội như: ách tắc giao thông, nạn kẹt xe, tai nạn giao thông ... Trong khi đó nguồn vốn, nguồn kinh phí cho việc xây dựng mới mạng lưới đường bộ của nước là còn rất hạn hẹp, các dự án đầu tư xây dựng đường bộ mới đều là các nguồn vốn vay của nước ngoài ...
1 Luận văn thạc sỹ kỹ thuật BỘ GIÁO GIỤC VÀ ĐÀO TẠO o0o LUẬN VĂN THẠC SỸ ĐỀ TÀI: TÍNH TOÁN BỀ DẦY TẤM BÊ TÔNG XI MĂNG TĂNG CƯỜNG TRÊN MẶT ĐƯỜNG BÊ TÔNG XI MĂNG CŨ THEO PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN Năm 2014 2 Luận văn thạc sỹ kỹ thuật DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU BT : Bê tông BTXM : Bê tông xi măng C tđ : Hệ số nền tương đương C 2 : Hệ số phản lực của mặt đường bê tông xi măng tăng cường FAA : Cục hàng không Liên Bang Mỹ MĐTC : Mặt đường tăng cường MĐC : Mặt đường bê tông xi măng cũ NCHRP :Chương trình nghiên cứu sửa chữa đường bộ quốc gia Mỹ (National Cooperative highway research Program) PTCB : Phương trình cân bằng 3 Luận văn thạc sỹ kỹ thuật DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Trang Bảng 1.1: Các kích thước của ngàm 3 Bảng 1.2: Khoảng cách giữa các khe 4 Bảng 1.3: Bề dầy tối thiểu của tấm BTXM 5 Bảng 1.4: Các chỉ tiêu cường độ và mô đun đàn hôi của bê tông làm đường 6 Bảng 1.5: Phân cấp hư hỏng của mặt đường BTXM đường sân bay 7 Bảng 3.1: Các đặc trưng của tải trọng trục tiêu chuẩn 32 Bảng 4.1: Dự báo lưu lượng xe 52 Bảng 4.2: Quy đổi trục xe về trục tiêu chuẩn 53 4 Luận văn thạc sỹ kỹ thuật DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Trang Hình 1.1: Mặt cắt ngang mặt đường BTXM đổ tại chỗ 1 Hình 1.2: Sơ đồ bố trí khe trong mặt đường BTXM 2 Hình 1.3: Các laọi khe trong mặt đường BTXM 3 Hình 1.4: Cấu tạo mặt cắt ngang tấm BTXM 5 Hình 1.5: Vết nứt dọc và ngang tấm ở giữa tấm BTXM 8 Hình 1.6: Vết nứt dọc và ngang ở góc tấm BTXM 9 Hình 1.7: Bong bật vật liệu bề mặt tấm BTXM 10 Hình 2.1: Mô hình kết cấu mặt đường tăng cường 22 Hình 3.1: Mô hình kết cấu khi bỏ qua lớp bê tông lót và lớp tạo phẳng. . 29 Hình 3.2: Vệt bánh xe, CourtesyTekscan, Inc 31 Hình 3.3: Mô hình tải trọng bánh xe 31 Hình 3.4: Các vị trí tính toán của bánh xe trên tấm BTXM 32 Hình 3.5: Mô hình rời rạc của tấm BTXM tăng cường 32 Hình 3.6: Phần tử tấm MĐ tăng cường 33 Hình 3.7: Hệ toạ độ địa phương và hệ toạ độ tổng thể 43 Hình 3.8: Phần tử tấm BTXM mặt đường cũ 47 Hình 4.1: Mô hình kết cấu ví dụ tính toán 58 Hình 4.2: Sơ đồ phân chia phần tử 59 Hình 4.3: Các vị trí tính toán của bánh xe 60 Hình 4.4: Mặt võng của tấm BT tăng cường khi chịu tác dụng của tải trọng bánh xe đặt ở tâm tấm 61 Hình 4.5: Mặt võng của tấm BT tăng cường khi chịu tác dụng của tải trọng bánh xe đặt ở tâm tấm và tải trọng nhiệt theo hướng bất lợi 61 Hình 4.6: Mặt võng của tấm BT tăng cường khi chịu tác dụng của tải trọng bánh xe đặt ở cạnh tấm 62 5 Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Hình 4.7: Mặt võng của tấm BT tăng cường khi chịu tác dụng của tải trọng bánh xe đặt ở cạnh tấm và tải trọng nhiệt theo hướng bất lợi 63 Hình 4.8: Mặt võng của tấm BT tăng cường khi chịu tác dụng của tải trọng bánh xe đặt ở góc tấm 63 Hình 4.9: Mặt võng của tấm BT tăng cường khi chịu tác dụng của tải trọng bánh xe đặt ở góc tấm và tải trọng nhiệt theo hướng bất lợi 64 Hình 4.10: Mặt võng của tấm BT mặt đường cũ khi chịu tác dụng của tải trọng bánh xe đặt ở tâm tấm 65 Hình 4.11: Mặt võng của tấm BT mặt đường cũ khi chịu tác dụng của tải trọng bánh xe đặt ở tâm tấm và tải trọng nhiệt theo hướng bất lợi 65 Hình 4.12: Mặt võng của tấm BT mặt đường cũ khi chịu tác dụng của tải trọng bánh xe đặt ở cạnh tấm 66 Hình 4.13: Mặt võng của tấm BT mặt đường cũ khi chịu tác dụng của tải trọng bánh xe đặt ở cạnh tấm và tải trọng nhiệt theo hướng bất lợi 67 Hình 4.14: Mặt võng của tấm BT mặt đường cũ khi chịu tác dụng của tải trọng bánh xe đặt ở góc tấm 67 Hình 4.15: Mặt võng của tấm BT mặt đường cũ khi chịu tác dụng của tải trọng bánh xe đặt ở góc tấm và tải trọng nhiệt theo hướng bất lợi 68 6 Luận văn thạc sỹ kỹ thuật MỤC LỤC Trang Danh mục các từ viết tắt và ký hiệu Danh mục các bảng biểu Danh mục các hình vẽ Mục lục PHÀN MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TÍNH TOÁN TĂNG CƯỜNG MẶT ĐƯỜNG BTXM 1 1.1.Mặt đường BTXM và các hư hỏng 1 1.1.1. Cấu tao chung của mặt đường bê tông xi măng 1 1.1.2. Các hư hỏng của mặt đường BTXM 7 1.2.Các phương pháp tăng cường mặt đường BTXM 11 1.3.Các phương pháp tính toán bề dầy tấm BTXM tăng cường trên mặt đường BTXM cũ hiện có 13 1.3.1. Theo hướng dẫn trong quy trình tính toán mặt đường cứng của Liên Xô cũ 15 1.3.2. Theo tiêu chuẩn của Cục hàng không liên Bang Mỹ FAA 19 1.3.3. Theo phương pháp Cơ học - thực nghiệm của chương trình NCHRP của Mỹ 20 1.4.Phạm vi và nhiệm vụ nghiên cứu của luận văn 20 CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG MÔ HÌNH BÀI TOÁN LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN TĂNG CƯỜNG MẶT ĐƯỜNG BTXM 22 2.1.Mô hình bài toán và các tiêu chuẩn tính toán 22 2.2.1. Mô hình bài toán 22 2.2.2. Các tiêu chuẩn tính toán 23 2.2.Xây dựng thuật toán 23 7 Luận văn thạc sỹ kỹ thuật 2.2.1Các giả thiết tính toán 23 2.2.2Các phương trình cơ bản 25 2.2.3Các điều kiện biên 26 CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP GIẢI VÀ CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN TRÊN MÁY TÍNH 29 3.1.Phương pháp giải 29 3.2.Thuật toán phần tử hữu hạn 32 3.2.1. Tính toán lớp mặt đường tăng cường 32 3.2.2. Tính toán lớp mặt đường cũ 47 3.3.Chương trình tính toán trên máy tính 49 3.3.1Sơ đồ thuật toán 49 3.3.2Chương trình tính toán trên máy tính bằng ngôn ngữ Matlab 50 CHƯƠNG 4: VÍ DỤ TÍNH TOÁN BẰNG SỐ 51 4.1. Ví dụ tính toán 51 4.2. Tính toán bề dầy tấm BTXM tăng cường theo quy trình Liên Xô cũ 52 4.3. Tính toán bề dầy tấm BTXM tăng cường theo chương trình TCMĐ 58 4.4. Nhận xét – đánh giá 69 KẾT LUẬN 70 TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC 8 Luận văn thạc sỹ kỹ thuật PHẦN MỞ ĐẦU Tính đến cuối năm 2014, cả nước ta có 221.115 km đường bộ, trong đó có 17.295 km đường quốc lộ (theo số liệu của cục đường bộ Việt nam, trích tạp chí GTVT 12/2004). Giao thông vận tải nói chung, và giao thông đường bộ nói riêng có tầm quan trọng đặc biệt đối với sự phát triển của kinh tế xã hội, nó được ví như những "huyết mạch" của nền kinh tế quốc dân. Do đó trong những năm gần đây, Đảng và nhà nước ta đã quan tâm đến việc đầu tư xây dựng và phát triển hệ thống giao thông đường bộ, đã ban hành nhiều chủ trương chính sách nhằm từng bước phát triển và mở rộng hệ thống giao thông đường bộ với phương châm nhà nước, các tổ chức, thành phần kinh tế và toàn dân cùng xây dựng và phát triển giao thông vận tải. Các dự án lớn liên tiếp được đầu tư, hoàn thành từng bước nhằm hoàn thiện mạng lưới đường quốc gia, trong đó có các dự án lớn như QL1, đường Xuyên Á, đường Hồ Chí Minh, QL5, QL 10, QL 18 được đầu tư xây dựng đã tạo nên một sự phát triển nhảy vọt cho mạng lưới đường bộ quốc gia. Tính cấp thiết của vấn đề nghiên cứu Tuy nhiên, một vấn đề gặp phải đối với hệ thống đường ô tô của nước ta đã được xây dựng trước đây là khi số trục xe thông qua vượt quá số trục tương đương thiết kế hay khi mặt đường xe chạy bị hư hỏng nghiêm trọng do nhiều nguyên nhân khác nhau, đã gây ảnh hưởng rất lớn đối với sự an toàn cũng như tính tiện nghi khi chạy xe, ngoài ra còn gây nên những hậu quả tiêu cực về mặt xã hội như: ách tắc giao thông, nạn kẹt xe, tai nạn giao thông Trong khi đó nguồn vốn, nguồn kinh phí cho việc xây dựng mới mạng lưới đường bộ của nước là còn rất hạn hẹp, các dự án đầu tư xây dựng đường bộ mới đều là các nguồn vốn vay của nước ngoài 9 Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Do vậy, việc bảo dưỡng, sửa chữa và thiết kế tăng cường cho mạng lưới giao thông đường bộ, để có thể đáp ứng được sự phát triển của nền kình tế trong giai đoạn công nghiệp hoá, hiện đại hoá ở nước ta hiện nay đang trở nên hết sức cần thiết và cấp bách. Nội dung nghiên cứu Xuất phát từ nhu cầu thực tiễn trên, tác giả đã lựa chọn đề tài: “Tính toán bề dầy tấm BTXM tăng cường trên mặt đường BTXM cũ theo phương pháp phần tử hữu hạn” làm nội dung nghiên cứu trong luận văn với mục đích áp dụng một phương pháp tính toán còn khá mới mẻ trong cơ học kỹ thuật vào trong tính toán tăng cường mặt đường BTXM đường ô tô, trên cơ sở giải quyết bài toán bài toán tấm hai lớp trên nền đàn hồi chịu tải trọng tĩnh, bằng phương pháp phần tử hữu hạn. Phương pháp nghiên cứu Trong những năm gần đây, sự phát triển nhảy vọt của kỹ thuật máy tính – tin học đã mang lại những công cụ hữu ích cho các ngành khoa học kỹ thuật nói chung và ngành cơ học kỹ thuật nói riêng. Rất nhiều bài toán cơ học mà trước đây nếu chỉ sử dụng các phương pháp giải tích sẽ gặp khó khăn, thì nay có thể thực hiện được bằng các phương pháp số trên máy tính điện tử, trong đó nổi bật là phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH). Trên cơ sở các nguyên lý năng lượng, sử dụng phép nội suy qua các hàm xấp xỉ chuyển vị, điều kiện cân bằng phân tố được thay thế bằng điều kiện cân bằng của phần tử có kích thước hữu hạn, với số bậc tự do hữu hạn, từ đó thay các phương trình vi phân cân bằng bằng hệ phương trình đại số tuyến tính, các quan hệ vật lý được biểu diễn dưới dạng ma trận phù hợp với ngôn ngữ của máy tính. Do có tính tổng quát cao nên nó đã nhanh chóng được ứng dụng rộng rãi, nhiều bộ chương trình rất mạnh dùng để tính toán kết cấu hệ thanh, hệ tấm, vỏ … theo các thuật toán của các phương pháp này đã được các tác giả trong nước và trên 10 Luận văn thạc sỹ kỹ thuật thế giới xây dựng tương đối hoàn chỉnh. Trong điều kiện như vậy, việc tính toán kết cấu tấm (hay tổng quát hơn là vỏ) không còn gặp nhiều khó khăn như trước do các hạn chế về hình dạng, tải trọng hay điều kiện biên phức tạp gây ra. Nhiều mô hình kết cấu hỗn hợp gồm hai hay nhiều loại phần tử thanh, tấm, vỏ làm việc đồng thời đã được xây dựng để giải các bài toán tĩnh, động lực hay ổn định đàn hồi … Mục tiêu nghiên cứu của luận văn Sử dụng phương pháp phàn tử hữu hạn để xây dựng thuật toán và chương trình máy tính để giải bài toán tấm 2 lớp trên nền đàn hồi chịu tác dụng của tải trọng tĩnh. Từ đó, áp dụng cho tính toán bề dầy tấm BTXM tăng cường trên mặt đường BTXM cũ theo các tiêu chuẩn tính toán. Nội dung của luận văn gồm 4 chương: Chương 1: giới thiệu tổng quan về mặt đường BTXM (đường ô tô và đường sân bay), các phương pháp tính toán bề dầy tấm BTXM tăng cường trên mặt đường BTXM cũ hiện có. Chương 2: trình bày mô hình của bài toán bao gồm: mô hình cơ học, các tiêu chuẩn tính toán, các giả thiết tính toán, các phương trình cơ bản và các điều kiện biên. Chương 3: trình bày thuật toán PTHH và chương trình tính toán trên máy tính cho bài toán tính toán bề dầy tấm BTXM tăng cường trên mặt đường BTXM cũ. Chương 4: trình bày các ví dụ tính toán bằng số. [...]...11 Luận văn thạc sỹ kỹ thuật CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN TĂNG CƯỜNG MẶT ĐƯỜNG BÊ TÔNG XI MĂNG 1.1 .Mặt đường bê tông xi măng và các hư hỏng 1.1.1 Cấu tạo chung của mặt đường bê tông xi măng Mặt đường bê tông xi măng (BTXM) được sử dụng trên các đường ô tô cấp cao, đường cao tốc, đường đô thị, đường sân bay và đường trong các khu công nghiệp có tải trọng trục xe lớn Mặt đường. .. phương pháp sửa chữa thường xuyên 22 Luận văn thạc sỹ kỹ thuật hoặc khi có nhu cầu nâng cấp mặt đường do có sự gia tăng về tải trọng trục trên đường Các phương pháp tăng cường: Việc tăng cường được thực hiện bằng cách thiết kế một lớp tăng cường bên trên mặt đường cũ Lớp tăng cường đó có thể bằng bê tông asphalt hoặc bê tông xi măng Trường hợp lớp tăng cường bằng bê tông asphalt thì có thể cấu tạo bằng... nghiên cứu: nghiên cứu phương pháp tính toán bề dầy tấm BTXM tăng cường trên mặt đường BTXM cũ, dựa trên cơ sở giải quyết bài toán tính tấm hai lớp chịu uốn trên nền đàn hồi chịu tải trọng tĩnh và tải trọng nhiệt bằng phương pháp phần tử hữu hạn 32 Luận văn thạc sỹ kỹ thuật CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG MÔ HÌNH BÀI TOÁN 2.1.Mô hình bài toán và các tiêu chuẩn tính toán 2.1.1.Mô hình bài toán 1 2 3 4 5 6 E2 , p... cấu mặt đường tăng cường 1 - Lớp mặt tăng cường bằng BTXM 2- Lớp bê tông lót; 3 -Mặt đường BTXM cũ 4- Lớp tạo phẳng bằng cát trộn nhựa 5- Lớp móng cát - xi; 6- Nền đất - Kết cấu mặt đường tăng cường được mô tả như hình 2.1 bao gồm: lớp mặt tăng cường bằng BTXM và được thiết kế trùng khe với mặt đường cũ, lớp mặt đường cũ bằng BTXM có lớp móng bằng cát gia cố xi măng trên nền đất Giữa lớp mặt tăng cường. .. tăng cường dính chặt với mặt đường cũ thì chiều dày lớp tăng cường xác định theo công thức: hc = h - he (1-19) trong đó: hc là chiều dày yêu cầu của lớp bê tông tăng cường, h là chiều dày của lớp bê tông đơn tương đương, xác định theo toán đồ, h e là chiều dày mặt đường cứng cũ, k là hệ số điều kiện 30 Luận văn thạc sỹ kỹ thuật 1.3.3 Tính toán bề dầy tấm BT tăng cường theo phương pháp cơ học thực nghiệm... Poát xông của bê tông mặt đường cũ và hệ số Poát xông tổng hợp của nền đất - lớp móng nhân tạo (thường lấy μ o = 0.3 ) 1.3.1 .Tính toán bề dầy tấm BT tăng cường theo quy trình tính toán mặt đường cứng của Liên Xô cũ (tiêu chuẩn СНИП 2-05-08-85) - Trường hợp lớp mặt đường tăng cường dính chặt với lớp mặt đường cũ thì khả năng chịu tải của mặt đường tăng cường không có gì khác so với mặt đường liền khối... tính toán của lớp mặt đường tăng cường M tt và mô men tính toán của lớp mặt đường cũ ta có thể xác định bề dày của lớp tăng cường như sau: tr 6 M tt htc = [σ ] (1-15) và kiểm toán đối với lớp mặt đường cũ như sau: σ max trong đó: d 6 M tt = 2 ≤ [σ ] h (1-16) h là bề dày của tấm bê tông mặt đường cũ [ σ ] là ứng suất cho phép, [ σ ] = Rku n Ở đây Rku là cường độ chịu kéo uốn của bê tông mặt đường cũ. .. việc tính toán có thể áp dụng như tính toán mặt đường BTXM một lớp - Trường hợp giữa lớp mặt đường tăng cường và lớp mặt đường cũ không có liên kết (tức là giữa chúng có lớp cách ly): + Nếu lớp mặt tăng cường là bê tông asphalt thì theo [5] bề dày cần thiết của lớp bê tông asphalt là: 26 Luận văn thạc sỹ kỹ thuật has = trong đó: 3 Eb ( hyc − he ) ≥ [ h] min Eas (1-11) hyc là chiều dày yêu cầu của mặt đường. .. của mặt đường BTXM cũ (Mpa) fcũ là cường độ kéo - uốn của BTXM mặt đường cũ (Mpa) Chiều dày tấm BTXM mặt đường cũ được tính theo công thức sau: ht cũ = h t cũ - S (1-6) trong đó: h t cũ là chiều dày trung bình của tấm BTXM mặt đường cũ h t cũ = với h1 + h 2 + + h n n (1-7) h1, h2, … hn là chiều dày thực tế khoan lấy mẫu trên mặt đường cũ S là sai số tiêu chuẩn của các giá trị điều tra chiều dày tấm mặt. .. đường cũ xác định theo thực nghiêm, còn n là hệ số chiết giảm cường độ, xác định như trong [1] 29 Luận văn thạc sỹ kỹ thuật 1.3.2 .Tính toán bề dày tấm BT tăng cường theo tiêu chuẩn của cục hàng không liên bang Mỹ (FAA) Theo cục hàng không liên bang Mỹ (FAA), chiều dày lớp bê tông tăng cường của mặt đường BTXM đường sân bay cũng được tính toán trên cơ sở các toán đồ trong thiết kế mặt đường mới, tức là . 1 Luận văn thạc sỹ kỹ thuật BỘ GIÁO GIỤC VÀ ĐÀO TẠO o0o LUẬN VĂN THẠC SỸ ĐỀ TÀI: TÍNH TOÁN BỀ DẦY TẤM BÊ TÔNG XI MĂNG TĂNG CƯỜNG TRÊN MẶT ĐƯỜNG BÊ TÔNG XI MĂNG CŨ THEO PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU. TÍNH TOÁN TRÊN MÁY TÍNH 29 3.1 .Phương pháp giải 29 3.2.Thuật toán phần tử hữu hạn 32 3.2.1. Tính toán lớp mặt đường tăng cường 32 3.2.2. Tính toán lớp mặt đường cũ 47 3.3.Chương trình tính toán. đường BTXM cũ. Chương 4: trình bày các ví dụ tính toán bằng số. 11 Luận văn thạc sỹ kỹ thuật CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN TĂNG CƯỜNG MẶT ĐƯỜNG BÊ TÔNG XI MĂNG 1.1 .Mặt đường