Nghiên cứu chuyển vị và ứng suất của cầu máng vỏ mỏng xi măng lưới thép ứng suất trước nhịp lớn

6 4 0
  • Loading ...
1/6 trang

Thông tin tài liệu

Ngày đăng: 11/02/2020, 14:02

Cầu máng xi măng lưới thép ứng suất trước (CM-XMLT-ƯST) nhịp lớn là một kết cấu dạng vỏ trụ không gian được gia cường bằng các sườn dọc, sườn ngang và thanh giằng, khi thiết kế đòi hỏi nội lực có độ chính xác cao cần phân tích theo bài toán vỏ mỏng không gian. Tuy nhiên phân tích nội lực thân máng trên cơ sở các phương trình vi phân cơ bản của lý thuyết vỏ mỏng không gian để tìm lời giải chính xác thì gần như không thể thực hiện được, thường dùng phương pháp phần tử hữu hạn và giải theo chuyển vị. Song đòi hỏi người sử dụng phải có hiểu biết nhấtđịnh về lý thuyết vỏ mỏng, phương pháp phần tử hữu hạn và phần mềm ứng dụng. Dựa trên Chương trình chuyên dụng tính toán CM-XMLT-ƯST do tác giả lập trên nền phần mềm ANSYS, đã tiến hành tính toán hàng loạt bài toán vỏ mỏng và thấy rằng với CM-XMLT-ƯST có nhịp lớn, khi tỷ số chiều dài nhịp trên chiều cao mặt cắt ngang L/H ≥ 10 thì tính theo lý thuyết dầm cũng đạt độ chính xác cần thiết. BÀI BÁO KHOA H C NGHIÊN CỨU CHUYỂN VỊ VÀ ỨNG SUẤT CỦA CẦU MÁNG VỎ MỎNG XI MĂNG LƯỚI THÉP ỨNG SUẤT TRƯỚC NHỊP LỚN Phạm Cao Tuyến1, Vũ Hồng Hưng2 Tóm tắt: Cầu máng xi măng lưới thép ứng suất trước (CM-XMLT-ƯST) nhịp lớn kết cấu dạng vỏ trụ không gian gia cường sườn dọc, sườn ngang giằng, thiết kế đòi hỏi nội lực có độ xác cao cần phân tích theo tốn vỏ mỏng khơng gian Tuy nhiên phân tích nội lực thân máng sở phương trình vi phân lý thuyết vỏ mỏng khơng gian để tìm lời giải xác gần khơng thể thực được, thường dùng phương pháp phần tử hữu hạn giải theo chuyển vị Song đòi hỏi người sử dụng phải có hiểu biết định lý thuyết vỏ mỏng, phương pháp phần tử hữu hạn phần mềm ứng dụng Dựa Chương trình chun dụng tính tốn CM-XMLT-ƯST tác giả lập phần mềm ANSYS, tiến hành tính tốn hàng loạt tốn vỏ mỏng thấy với CM-XMLT-ƯST có nhịp lớn, tỷ số chiều dài nhịp chiều cao mặt cắt ngang L/H ≥ 10 tính theo lý thuyết dầm đạt độ xác cần thiết Từ khóa: Cầu máng, xi măng lưới thép, ứng suất trước, lý thuyết vỏ, lý thuyết dầm, ANSYS ĐẶT VẤN ĐỀ1 Khi cầu máng cần vượt qua nhịp lớn, giải pháp hữu hiệu để tăng khả chịu lực theo phương dọc máng sử dụng ƯST Do thân máng XMLT có dạng vỏ trụ chiều dày thân máng mỏng, nên thích hợp với cốt thép ƯST đặt thẳng đáy máng dùng phương pháp căng sau Với phương pháp căng sau dễ dàng khống chế lực căng cáp giai đoạn, nên thuận tiện việc khống chế biến dạng nứt, vấn đề xem nhạy cảm với kết cấu vỏ mỏng XMLT Đối với cầu máng lớn trung bình thiết kế đòi hỏi nội lực có độ xác cao, cần phân tích nội lực thân máng theo tốn vỏ mỏng khơng gian Tốt dùng phương pháp phần tử hữu hạn giải theo chuyển vị Hiện có phần mềm mạnh cho phép ta phân tích kết cấu vỏ có dạng chịu tải trọng tuỳ ý SAP2000 hay ANSYS, song đòi hỏi người sử dụng phải có hiểu biết định lý thuyết vỏ mỏng phương pháp phần tử hữu hạn Đối với cầu máng nhỏ dùng phương Nghiên cứu sinh, Trường Đại học Thủy lợi Khoa Cơng trình, Trường Đại học Thủy lợi 94 pháp gần để phân tích nội lực thân máng, phương pháp thường dùng thay tốn tính vỏ mỏng khơng gian hai toán phẳng riêng biệt theo phương dọc phương ngang máng, gọi phương pháp tính theo “lý thuyết dầm” Theo lý thuyết tính tốn này, phương dọc thân máng tính tốn dầm, phương ngang máng tính hệ phẳng (khung phẳng) có bề rộng đơn vị cắt từ thân máng chịu tất tải trọng tác dụng lên đoạn máng cân nhờ lực tương hỗ phần máng hai bên, gọi “phương pháp lực cắt không cân bằng” (Vũ Thành Hải, 2001) Trong giáo trình “Kết cấu bê tơng cốt thép ứng suất trước” trình bày dạng toán dầm (Nguyễn Tiến Chương, 2010), với CM-XMLT-ƯST vỏ mỏng nhịp lớn, phân tích nội lực theo phương dọc dùng lý thuyết dầm có nhiều thuận lợi đủ độ xác cần thiết chiều dài nhịp đủ lớn, theo phương ngang tính theo sơ đồ khung giống CM-XMLT thông thường (14-TCN 181:2006) CƠ SỞ TÍNH TỐN NỘI LỰC CMXMLT-ƯST 2.1 Tải trọng tính tốn Tải trọng tác dụng lên cầu máng gồm có: KHOA H C K THU T TH Y L I VÀ MÔI TR NG - S 60 (3/2018) (TH1) gồm: trọng lượng thân máng (TLBT) + tải trọng người qua lại (ND*) + trọng lượng nước ứng với chiều sâu mực nước thiết kế (ALN) lực nén trước (LNT*) 2.3 Trường hợp tính tốn Tính tốn cho CM-XMLT-ƯST mặt cắt chữ U có cấu tạo kích thước mặt cắt ngang hình với chiều dài máng thay đổi L = 8m ~ 22m 120 20 20 20 12,5 - Trọng lượng thân cầu máng - Áp lực nước ứng với mực nước thiết kế - Tải trọng người qua lại cầu máng - Các tải trọng khác áp lực gió, lực ma sát gối đỡ, áp lực thủy động, động đất, tải trọng cẩu lắp, lực va chạm vật bỏ qua tính tốn 2.2 Tổ hợp tải trọng Phân tích trạng thái ứng suất biến dạng thân máng XMLT tiến hành với tổ hợp tải trọng 80 yo O 10 20 60 xo 50 Hình Cấu tạo kích thước mặt cắt ngang CM-XMLT-ƯST TÍNH TỐN CM-XMLT-ƯST THEO LÝ THUYẾT VỎ 3.1 Mơ hình tính tốn Dựa Chương trình chun dụng tính tốn CM-XMLT-ƯST tác giả lập phần mềm ANSYS (Phạm Cao Tuyến, 2015) tiến hành mơ hình CM-XMLT-ƯST dài L = 12m theo tốn vỏ mỏng khơng gian với kích thước mặt cắt ngang hình 1, cầu máng gia cường giằng, sườn đứng sườn đứng biên cho hình 3.2 Kết tính tốn Phổ mầu chuyển vị đứng UY tổ hợp tải trọng TH1=TLBT+ALN+ND*+LNT* sinh cho hình Giá trị chuyển vị thành phần tải trọng gồm trọng lượng thân TLBT, áp lực nước ALN, tải trọng người lại trọng lượng đường người ND*, lực nén trước LNT* tổ hợp tải trọng TH1 cho bảng Hình Mơ hình CM-XMLT-ƯST mặt cắt chữ U nhịp đơn L =12m KHOA H C K THU T TH Y L I VÀ MÔI TR NG - S 60 (3/2018) Hình Phổ mầu chuyển vị đứng UY 95 Phổ mầu ứng suất theo phương dọc SZ TH1 sinh cho hình Phổ mầu ứng suất theo phương ngang SX TH1 cho hình Giá trị ứng suất đáy máng đỉnh máng nhịp thành phần tải trọng TLBT, ALN, ND*, LNT* TH1 cho bảng Kết tính tốn cho thấy ứng suất theo phương ngang nhỏ nhiều so với ứng suất theo phương dọc đáy máng Hay nói cách khác cầu máng nhịp lớn, ứng suất theo phương dọc SZ chủ yếu Hình Phổ mầu ứng suất dọc SZ Hình Phổ mầu ứng suất ngang SX Bảng Chuyển vị đứng UY, ứng suất SZ SX mặt cắt nhịp CM-XMLT-ƯST TLBT -0,72537 12 727,98 -1225,1 41,403 Thành phần tải trọng ALN ND* LNT* Chuyển vị đứng UY đáy máng (mm) -1,42132 -0,09372 2,385 Ứng suất dọc SZ đáy máng (kN/m2) 1424,8 95,158 -4862,1 Ứng suất dọc SZ đỉnh máng (kN/m2) -2600,0 -141,53 1166,8 Ứng suất ngang SX đáy máng (kN/m2) -228,57 -5,7964 89,663 Ghi chú: Các lực mang dấu (*) lực có giá trị cho tốn cụ thể, trọng lượng thân áp lực nước chương trình tự tính chọn mặt cắt ngang máng KIỂM TRA CM-XMLT-ƯST BẰNG TAY THEO LÝ THUYẾT DẦM 4.1 Sơ đồ tính tốn Kiểm tra độ tin cậy kết tính tốn CM-XMLT-ƯST theo lý thuyết vỏ sử dụng phần mềm ANSYS sơ đồ dầm đơn dài L = 12m chịu tải trọng phân bố gồm TLBT, ALN, ND* LNT* đặt lệch tâm khoảng Z hình 96 TH1 0,14459 -2614,16 -2799,83 -103,300 TLBT+ALN+ND* Z Nhịp L (m) LNT* L = 12 m Hình Sơ đồ tính tốn dầm ƯST Đặc trưng hình học tiết diện dầm cho hình 7: - Diện tích tiết diện: A = 0,32856 m2 - Trọng tâm tiết diện C so với gốc tọa độ O: YC = -0,17937 m KHOA H C K THU T TH Y L I VÀ MÔI TR NG - S 60 (3/2018) O xo C X Z=0,52063m Ymin=0,62063m Yc Y yo Ymax=0,97937m - Mơmen qn tính trục X: IXX = 0,10738 m4 Tải trọng tác dụng gồm trọng lượng thân máng TLBT = γbtA =7,09098 kN/m, trọng lượng nước ALN = γn (Ao+fDo) = 15,25488 kN/m, đường người người lại ND* = 1,0 kN/m, lực nén trước LNT* = 875 kN 4.2 Kết tính tốn Kết tính tốn chuyển vị đứng UY ứng suất dọc SZ đáy mặt cắt dầm TLBT, ALN, ND*, LNT* tổ hợp tải trọng TH1 cho bảng Hình Đặc trưng hình học tiết diện CMXMLT-ƯST Bảng Mô men, chuyển vị ứng suất dọc mặt cắt nhịp CM-XMLT-ƯST Giá trị Mômen M = qL /8 (kNm) Lực dọc N (kN) Chuyển vị đứng UY = 5ML2/48EIXX (mm) TLBT 127,63767 Ứng suất dọc SZ đáy SZ = N/A+M/WX (kN/m2) Thành phần tải trọng ALN ND* LNT* 274,58784 18,0 -455,55125 0 -875 TH1 -35,32574 -875 0,6414 1,3789 0,09045 -2,2891 0,17745 737,705 1587,029 104,034 -5296,076 -2867,308 4.3 Nhận xét Kết tính toán chuyển vị ứng suất dọc mặt cắt nhịp CM-XMLT-ƯST dài L = 12m theo tốn vỏ mỏng khơng gian theo tốn dầm giải tích thành phần tải trọng tác dụng lên cầu máng sinh tổng hợp bảng Bảng So sánh chuyển vị UY, ứng suất SZ mặt cắt nhịp CM-XMLT-ƯST Tính tốn ANSYS Giải tích ANSYS Giải tích % khác biệt Thành phần tải trọng ALN ND* Chuyển vị đứng UY đáy máng (mm) -0,72537 -1,42132 -0,09372 -0,6414 -1,3798 -0,09045 Ứng suất dọc SZ đáy máng (kN/m2) 727,98 1424,8 95,158 737,705 1587,029 104,034 -1,33% -11,38% -9,35% TLBT Từ bảng cho thấy kết tính tốn chuyển vị ứng suất nhịp máng KHOA H C K THU T TH Y L I VÀ MÔI TR LNT* TH1 2,385 2,2891 0,14459 0,17745 -4862,1 -5296,076 -8,92% -2614,16 -2867,308 -9,68% thành phần tải trọng theo lý thuyết vỏ phần mềm ANSYS theo lý thuyết dầm NG - S 60 (3/2018) 97 giải tích có chênh không ngang đến độ võng ứng suất dọc đáy nhiều (xấp xỉ 10%) Sự chênh lệch CM-XMLT-ƯST cần phải xem xét cụ tính tốn theo lý thuyết dầm khơng xét thể ảnh hưởng giằng sườn PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN CHO ngang, bỏ qua áp lực ngang nên giá trị chuyển CM-XMLT-ƯST VỎ MỎNG NHỊP LỚN vị ứng suất dọc đáy máng lớn Để có sở cho việc đề xuất phương pháp so với tính tốn theo tốn khơng gian tính tốn CM-XMLT-ƯST nhịp lớn, báo phần mềm ANSYS tiến hành tính tốn cho chiều dài máng Theo lý thuyết vỏ kết cấu vỏ mỏng khác từ L = 8m đến 22m theo lý thuyết dạng dầm có tỷ số chiều dài chiều cao vỏ sử dụng phần mềm ANSYS lý thuyết tiết diện L/H đủ lớn độ võng theo dầm Từ kết tính tốn chuyển vị cầu phương vng góc với trục dầm ứng suất máng có H = 1,6m với chiều dài nhịp máng dọc đáy tính theo lý thuyết dầm đủ độ thay đổi từ 8m đến 22m, xác định tỷ xác cần thiết (Edward G Nawy, 2006) số L/H để kết tính tốn theo lý thuyết dầm Tuy nhiên tỷ số để xấp xỉ theo lý thuyết vỏ qua số liệu loại bỏ ảnh hưởng giằng sườn tính tốn cho bảng Bảng So sánh chuyển vị tính theo lý thuyết vỏ lý thuyết dầm Nhịp máng Li (m) (1) (2) L8 L10 10 L12 12 L14 14 L16 16 L18 18 L20 20 L22 22 Cầu máng H = 1,6m UY (TLBT) (3) -0,18805 -0,3845 -0,7254 -1,2718 -2,0918 -3,2653 -4,8857 -7,0468 Tỷ số UY (ALN) (4) -0,35493 -0,74375 -1,42132 -2,5038 -4,1311 -6,456 -9,6696 -13,951 L22/Li (5) (6) 22/8 2,750 22/10 2,200 22/12 1,833 22/14 1,571 22/16 1,375 22/18 1,222 22/20 1,100 22/22 1,000 Từ bảng cho thấy L = 16m chuyển vị đứng tính theo lý thuyết vỏ lý thuyết dầm chênh không đáng kể, với máng có H = 1,6 m tỷ số L/H = 16/1,6=10 Cũng tương tự ta lập bảng tính với ứng suất dọc mặt cắt LT Dầm LT Vỏ (ANSYS) (L22/Li) (7) 57,19 23,43 11,30 6,10 3,57 2,23 1,46 1,00 TLBT (8) 37,47 18,33 9,71 5,54 3,37 2,16 1,44 1,00 ALN (9) 39,31 18,76 9,82 5,57 3,38 2,16 1,44 1,00 nhịp đáy máng SZ(Li) trọng lượng thân áp lực nước xác định theo lý thuyết vỏ phần mềm ANSYS theo lý thuyết dầm ứng với cầu máng có H = 1,6 m cho bảng Bảng So sánh ứng suất tính theo lý thuyết vỏ lý thuyết dầm Nhịp máng Li (m) (1) (2) L8 L10 10 L12 12 L14 14 L16 16 98 Cầu máng H = 1,6m SZ (TLBT) (3) 331,22 509,25 727,98 988,27 1284,9 SZ (ALN) (4) 627,11 953,19 1424,8 1902,3 2527,9 Tỷ số LT Dầm L22/Li (L22/Li)2 (7) 7,5625 4,8400 3,3611 2,4694 1,8906 (5) 22/8 22/10 22/12 22/14 22/16 (6) 2,750 2,200 1,833 1,571 1,375 LT Vỏ (ANSYS) KHOA H C K THU T TH Y L I VÀ MÔI TR TLBT (8) 6,61 4,30 3,01 2,22 1,70 ALN (9) 7,46 4,91 3,28 2,46 1,85 NG - S 60 (3/2018) L18 L20 L22 18 20 22 1616,2 1989,2 2190,7 3145,3 3923,3 4679,9 Từ bảng cho thấy L=16m ứng suất dọc tính theo lý thuyết vỏ lý thuyết dầm chênh không đáng kể, với máng có H = 1,6m, tỷ số L/H=16/1,6=10 ứng suất theo phương dọc máng tính theo lý thuyết dầm đạt độ xác cần thiết, đặc biệt ứng suất áp lực nước KẾT LUẬN Bài báo khẳng định độ tin cậy Chương trình tính tốn CM-XMLT-ƯST lập phần mềm ANSYS thông qua kết kiểm tra tay theo lý thuyết dầm Ngồi qua kết tính tốn trạng thái ứng suất biến dạng CM-XMLT- 22/18 22/20 22/22 1,222 1,100 1,000 1,4938 1,2100 1,0000 1,36 1,10 1,00 1,49 1,19 1,00 ƯST mặt cắt chữ U có chiều cao H=1,6m, đường kính lòng máng Do=1,2m, chiều dài nhịp máng L thay đổi từ 8m đến 22m theo toán vỏ phương pháp phần tử hạn với hỗ trợ phần mềm ANSYS theo toán dầm giải tích cho thấy tỷ số L/H ≥ 10 chuyển vị mặt cắt nhịp máng ứng suất theo phương dọc máng theo hai phương pháp gần xấp xỉ nhau, hay chiều dài máng đủ lớn tính theo lý thuyết dầm đạt độ xác cần thiết Điều hồn tồn phù hợp với lý thuyết vỏ mỏng dạng dầm thông thường TÀI LIỆU THAM KHẢO Nguyễn Tiến Chương (2006), Kết cấu bê tông ứng suất trước, Nhà xuất Xây dựng, Hà Nội Phạm Cao Tuyến (2015), “Nghiên cứu thực nghiệm cầu máng xi măng lưới thép ứng suất trước nhịp lớn máy tính”, Tạp chí KHKT Thủy lợi Môi trường, số 49, pp 122-128, 06/2015 Tiêu chuẩn ngành thủy lợi 14-TCN 181:2006 (2006), Cơng trình thủy lợi - Cầu máng vỏ mỏng XMLT - Hướng dẫn tính tốn thiết kế kết cấu Vũ Thành Hải (2001), Cầu máng xi măng lưới thép, Bài giảng sau đại học ngành Cơng trình thủy, trường Đại học Thủy Lợi, Hà Nội Edward G Nawy (2006), Prestressed Concrete – Afundamental Approach, Fifth Edition, Pearson Education, Inc Abtract: STUDY THE DEFORMATION AND STRESS OF LONG SPAN PRESTRESSED THIN SHELL FERRO-CEMENT AQUEDUCTS Long-span prestressed ferrocement aqueducts is a thin shell structurere reinforced by vertical ribs, transverse ribs and struts, when the design requires internal force with high precision, need to analyze the space thin shell problem However, the analysis of the internal force of the body aqueduct based on the fundamental differential equations of space thin shell theory, it is almost impossible to find the exact solution, often used finite element method However, it requires the user to have a certain understanding of shell theory, finite element method and application software Based on CM-XMLT-UST Dedicated Program in ANSYS software created by the author, have conducted hand calculation for a series of problems and found that for prestressed ferrocement aqueducts with long-span, when the ratio of the length/cross-sectional height L/H ≥ 10, calculate by the theory of beams also achieve the necessary precision Key words: Aqueducts, Ferrocement, Prestressed, Shell theory, Beam theory, ANSYS Ngày nhận bài: 17/03/2017 Ngày chấp nhận đăng: 02/4/2018 KHOA H C K THU T TH Y L I VÀ MÔI TR NG - S 60 (3/2018) 99 ... nói cách khác cầu máng nhịp lớn, ứng suất theo phương dọc SZ chủ yếu Hình Phổ mầu ứng suất dọc SZ Hình Phổ mầu ứng suất ngang SX Bảng Chuyển vị ứng UY, ứng suất SZ SX mặt cắt nhịp CM-XMLT-ƯST... Chương (2006), Kết cấu bê tông ứng suất trước, Nhà xuất Xây dựng, Hà Nội Phạm Cao Tuyến (2015), Nghiên cứu thực nghiệm cầu máng xi măng lưới thép ứng suất trước nhịp lớn máy tính”, Tạp chí KHKT... Chuyển vị ứng UY đáy máng (mm) -1,42132 -0,09372 2,385 Ứng suất dọc SZ đáy máng (kN/m2) 1424,8 95,158 -4862,1 Ứng suất dọc SZ đỉnh máng (kN/m2) -2600,0 -141,53 1166,8 Ứng suất ngang SX đáy máng
- Xem thêm -

Xem thêm: Nghiên cứu chuyển vị và ứng suất của cầu máng vỏ mỏng xi măng lưới thép ứng suất trước nhịp lớn, Nghiên cứu chuyển vị và ứng suất của cầu máng vỏ mỏng xi măng lưới thép ứng suất trước nhịp lớn

Gợi ý tài liệu liên quan cho bạn