Tên đề tài:Phân tích ứng xử cơ học của phân đoạn dầm hộp bê tông cốt thép trong cầu dây văng một mặt phẳng dây
Chuyên ngành:Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông
Mã số chuyên ngành:9580205
Họ và tên nghiên cứu sinh:Bùi Ngọc Tình
Họ và tên cán bộ hướng dẫn:1. PGS.TS. Nguyễn Ngọc Long
Cơ sở đào tạo:Trường Đại học Giao thông vận tải

THÔNG TIN VỀ LUẬN ÁN TIẾN SĨ

  1. Tên luận án:  Phân tích ứng xử cơ học của phân đoạn dầm hộp bê tông cốt thép  trong cầu dây văng một mặt phẳng dây.
  2. Nghiên cứu sinh: Bùi Ngọc Tình
  3. Ngành: Kỹ thuật Xây dựng công trình giao thông
  4. Mã số: 9580205
  5. Khóa: 2013-2020
  6. Giảng viên hướng dẫn:

Hướng dẫn 1: PGS-TS Nguyễn Ngọc Long (trường Đại học Giao thông vận tải)

Hướng dẫn 2: GS-TS Nguyễn Viết Trung (trường Đại học Giao thông vận tải)

  1. Nội dung và những đóng góp chính của luận án:

Kết cấu nhịp dây văng trên đường bộ bắt đầu được sử dụng ở Việt Nam từ năm 1998 với cầu đầu tiên là cầu Mỹ Thuận (hoàn thành năm 2000). Từ đó đến nay, gần hai mươi cầu dây văng đã được thiết kế, thi công xây dựng.

Thống kê cho thấy các cầu dây văng đã được xây dựng ở Việt Nam phần lớn sử dụng kết cấu hai mặt phẳng dây và thường sử dụng dạng mặt cắt chữ I, chữ Pi có vát xiên để đảm bảo ổn định khí động lực học, tăng cường độ cứng theo phương ngang và do đó đảm bảo được khả năng vượt nhịp lớn hơn.

So sánh với dạng kết cấu cầu dây văng hai mặt phẳng dây, kết cấu cầu dây văng một mặt phẳng dây giúp phân tách luồng xe chạy trên cầu do dây văng thường được bố trí ở chính giữa mặt cắt ngang (vị trí giải phân cách giữa). Cách bố trí này tạo ra góc nhìn thông thoáng cho cầu khi quan sát từ xa cũng như khi quan sát với tư cách là một người đi trên cầu, đem lại hiệu quả thẩm mĩ tốt hơn so với kết cấu nhịp cầu dây văng hai mặt phẳng dây. Tuy nhiên, do mặt phẳng dây được bố trí vào đúng vị trí giữa dầm cầu nên chủ yếu tham gia chịu tải thẳng đứng mà không hỗ trợ tăng cường khả năng chống xoắn cho kết cấu nhịp. Trong kết cấu nhịp cầu dạng này, mômen xoắn do xe chạy lệch tâm và tải trọng gió tác dụng lên cầu chủ yếu do dầm chủ chịu. Do đó, thiết kế các dầm chủ sử dụng một mặt phẳng dây ở Việt Nam cũng như trên thế giới có chiều dài vượt nhịp nhỏ hơn dạng kết cấu nhịp sử dụng hai mặt phẳng dây và thường có dạng mặt cắt hình hộp để tăng cường khả năng ổn định khí động lực học.

Tính đến nay ở Việt Nam đã có cầu dây văng Bãi Cháy và một nhịp của cầu vượt Ngã ba Huế là sử dụng dạng mặt cắt hình hộp một mặt phẳng dây. Trong đó, cầu dây văng Bãi Cháy là cầu dây văng một mặt phẳng dây có chiều dài nhịp chính lớn nhất thế giới (435m) tại thời điểm hoàn thành năm 2006.

Bên cạnh vấn đề ổn định khí động lực học, thiết kế cầu dây văng một mặt phẳng dây do sử dụng mặt cắt hình hộp nên đầu neo dây thường đặt tại vị trí giữa bản mặt cầu. Dẫn đến việc bản mặt cầu phải chịu lực kéo nhổ lớn trong mặt phẳng vuông góc với bản. Lực kéo nhổ này có giá trị thiết kế bằng lực căng lớn nhất xuất hiện trong các dây văng trong giai đoạn từ thi công đến khai thác; và thường nằm trong giới hạn từ 0.4fpy đến 0.6fpy, với fpy là giới hạn kéo chảy của cáp dây văng.

Lực căng dây tác dụng bản nắp của kết cấu nhịp dầm hộp gây ra hiệu ứng nén dọc trên kết cấu nhịp (do dây xiên), uốn dọc toàn bộ dầm (hiệu ứng tổng thể), uốn ngang trên bản mặt cầu và gây ra hiệu ứng kéo cục bộ trên bản mặt cầu (hiệu ứng cục bộ); tạo ra trạng thái ứng suất - biến dạng rất phực tạp trên bản mặt cầu, đặc biệt là tại vị trí cục bộ quanh khu vực đầu neo dây văng. Do đó, như sẽ giới thiệu trong chương 1, các cầu dây văng một mặt phẳng dây trên thế giới khi vượt nhịp lớn thường có xu hướng dầm hộp thép hoặc thép liên hợp; ví dụ như cầu Rama VIII, vượt qua sông Chao Phraya ở Bangkok, Thái Lan. Tuy nhiên, bản mặt cầu bằng thép tuy có khả năng chịu lực lớn và khối lượng nhẹ nhưng do bề dày mỏng nên có độ cứng chịu lực nhỏ và biến dạng dưới tác dụng của lực căng dây lớn, dẫn đến các hư hỏng trên lớp phủ mặt cầu và gặp vấn đề về độ bền mỏi.

Sử dụng mặt cắt dầm hộp bằng bê tông về cơ bản giúp giải quyết vấn đề độ bền mỏi và vấn đề biến dạng lớn khó kiểm soát trên mặt cầu. Tuy nhiên hiện tại chưa có các tiêu chuẩn hướng dẫn phân tích đánh giá bản mặt cầu chịu lực kéo cục bộ (chịu lực bên ngoài mặt phẳng bản bê tông); nhất là khi bản mặt cầu bên cạnh chịu lực cục bộ còn phải đồng thời chịu các hiệu ứng tổng thể về uốn dọc và uốn ngang như đã phân tích ở trên. Để xử lý vấn đề hư hỏng cục bộ có thể xảy ra trên bản mặt cầu bê tông khi chịu lực neo cục bộ, giải pháp đã được sử dụng ở cầu Bãi Cháy (Việt Nam) là sử dụng các ống thép chịu kéo liên kết trực tiếp với đầu neo để truyền lực xuống vị trí liên kết giữa sườn dầm và bản đáy. Giải pháp này giúp thay thế việc phải để bản mặt cầu bê tông chịu lực cục bộ bằng việc truyền lực thông qua thanh chịu kéo xuống đáy sườn dầm và như vậy sườn dầm thành vách bê tông chịu nén thay cho bản mặt cầu phải chịu lực cục bộ vuông góc với bản mặt cầu. Đây là giải pháp về lý thuyết là khả thi về mặt chịu lực, tuy nhiên gây khó khăn lớn cho công tác thi công; trong khi hiệu quả thực tế là chưa rõ ràng do chưa đề xuất được mô hình tính toán phù hợp để phân tích sự làm việc cục bộ của bản mặt cầu bê tông chịu lực vuông góp mặt phẳng của bản và bản thân với những vị trí góc nghiêng dây so với bản mặt cầu nhỏ thì hệ ống thép chịu lực vẫn gần như vuông góc với lực căng dây - rất khó phát huy hiệu quả chịu lực. Tại cầu Trần Thị Lý, giải pháp tăng cường cho bản mặt cầu là sử dụng các dầm ngang tại đúng vị trí đặt đầu neo. Giải pháp này cũng gây khó khăn cho việc chế tạo các ván khuôn đổ bê tông bản mặt cầu. Từ đó có thể thấy được nhu cầu cần có một mô hình tính toán, phân tích được ứng xử của phân đoạn dầm hộp, đặc biệt là khu vực bản mặt cầu chịu lực kéo xiên, có khả năng phân tích được trạng thái ứng suất – biến dạng của dầm hộp, có xét đến bố trí cốt thép chịu lực cục bộ tại vị trí này và phân tích được độ mở rộng vết nứt ở bê tông mặt cầu; làm căn cứ cho bài toán phân tích thiết kế, lựa chọn giải pháp mặt cắt ngang phù hợp với yêu cầu chịu lực đối với cầu dây văng một mặt phẳng dây.

Do đó, tác giả đề xuất nghiên cứu luận án tiến sĩ với đề tài: “Phân tích ứng xử cơ học của phân đoạn dầm hộp BTCT trong cầu dây văng một mặt phẳng dây” để góp phần đề xuất mô hình tính toán lý thuyết, có kiểm chứng qua thực nghiệm để phân tích ứng xử cơ học của phân đoạn mặt cắt hình hộp cầu dây văng một mặt phẳng dây. Đồng thời, trên cơ sở phân tích lý thuyết tìm được đánh giá hiệu quả của các giải pháp tăng cường mặt cắt chịu lực căng dây đã được sử dụng.

Trong đó, mục tiêu, đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu của luận án được tóm tắt như sau:  

  1. Mục tiêu của luận án:
  1. Phân tích, lựa chọn mô hình toán học phân tích ứng xử cục bộ của bản mặt cầu chịu lực kéo xiên ngoài mặt phẳng của bản;
  2. Nghiên cứu thí nghiệm để khẳng định khả năng áp dụng của mô hình toán học đề xuất; và xác định hiệu quả của giải pháp thiết kế đề xuất;
  3. Ứng dụng mô hình đề xuất để phân tích, đánh giá ứng xử cơ học của phân đoạn mặt cắt hình hộp cầu dây văng một mặt phẳng dây.
  1. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án:
  1. Về kết cấu: Phân đoạn kết cấu dầm hộp chịu lực kéo tại vị trí giữa hộp trong cầu dây văng một mặt phẳng dây.
  2. Về vật liệu: Giới hạn nghiên cứu cho dầm hộp bằng bê tông cốt thép, bê tông cốt thép dự ứng lực. Trong vật liệu bê tông, xét đến giai đoạn vật liệu bê tông làm việc ngoài miền đàn hồi.
  3. Về tải trọng: Giới hạn tải trọng nghiên cứu là bài toán tải trọng đặt tĩnh.
  1. Cấu trúc của luận án:

Luận án được cấu trúc thành năm phần bao gồm:

  • Phần Mở đầu
  • Chương 1: Tổng quan
  • Chương 2: Nghiên cứu đề xuất mô hình toán học phân tích trạng thái ứng suất - biến dạng của phân đoạn kết cấu nhịp dầm hộp BTCT của cầu dây văng một mặt phẳng dây chịu lực căng dây.
  • Chương 3: Nghiên cứu thí nghiệm áp dụng mô hình phân tích “nứt theo tổng biên dạng” cho bài toán bản mặt cầu chịu lực kéo/nén xiên ngoài mặt phẳng bản
  • Chương 4: Ứng dụng mô hình “nứt theo tổng biến dạng” phân tích ứng xử cơ học của mặt cắt hình hộp BTCT cầu dây văng một mặt phẳng dây điển hình
  • Kết luận - Kiến nghị

Ngoài ra là các phần Tài liệu tham khảo và danh mục công bố của Tác giả.

  1. Những đóng góp mới của luận án

Trên khía cạnh khoa học: các mô hình phi tuyến đã được xem xét, từ đó lựa chọn mô hình nứt theo tổng biến dạng để phân tích ứng xử của phân đoạn dầm hộp cầu dây văng một mặt phẳng dây. Mô hình đề xuất đã được chứng mình về khả năng áp dụng thông qua thí nghiệm.

Trên khía cạnh áp dụng thực tế: Kết quả của đề tài có thể sử dụng để tiến hành phân tích sự làm việc c của phân đoạn dầm hộp bê tông cốt thép trong cầu dây văng một mặt phẳng dây, đánh giá các giải pháp tăng cường cho dầm.

Các đóng góp chính có thể tóm tắt như sau:

  • Đã xây dựng được mô hình phi tuyến tổng biến dạng nứt để phân tích kết cấu phân đoạn dầm hộp bê tông cốt thép cầu dây văng một mặt phẳng dây.
  • Đã xây dựng được mô hình thực nghiệm để kiểm chứng độ tin cậy của mô hình phân tích số (với lý thuyết về vật liệu và phương pháp phần tử hữu hạn phân tích kết cấu).
  • Đã phân tích được ứng xử cơ học phân đoạn dầm hộp bê tông cốt thép của cầu dây văng một mặt phẳng dây chịu lực tập trung đầu neo, cho phép đánh giá vai trò, hiệu quả của các giải pháp xử lý kết cấu.

Information of doctoral thesis

  1. Name of the doctoral thesis:

Analysis of mechanical behavior of reinforced concrete box girder in one-plane cable stayed bridge

  1. Doctor candidate: Bui Ngoc Tinh
  2. Domain:        Transport Construction Engineering
  3. Code: 9580205
  4. Course: 2013-2020
  5. Supervisor:
  1. Associate Professor, Doctor Nguyen Ngoc Long (the University of Transport and Communications)
  2. Professor, Doctor Nguyen Viet Trung (the University of Transport and Communications)
  1. Content and new contributions of thesis:

Cable stayed bridge was firstly built in Vietnam since 1998 (My Thuan bridge). Sofar, a number of cable stayed bridges were designed and constructed. Many of them using two planes of cables as well as the I and Π type cross section with incline webs to ensure the aerodynamic stability, enhance the lateral rigidity and therefore is able to pass over long span.

In comparison to two-plane cable stayed bridge, the one-plane cable stayed bridge help to separate two traffic flows on the bridge by location the plane of cable in the middle of the cross-section; open the better view for transportation and also brings better aesthetic feeling. However, since the cable is vertically located in the middle of the cross –section; they subject to only the vertical bending of the girder and do not contribute to the torsional strength of the cross-section. That is the reason why the box-type of cross-section (which has high torsional rigidity and aerodynamic stability) is normally used for one-plane cable stayed bridge. In Vietnam, there are two one-plane cable stayed bridges, they are Bai Chay bridge and Nga ba Hue bridge. In which, Bai Chay bridge ranked the first among the list of longest span one-plane cable stayed bridge in the world at the time of construction (2006).

In the design of one plane cable stayed bridge, the cables are located in the middle of the top slab of the cross section, therefore the top slab has to subjected to rather large pull-out loading in out-of-plane direction. This type of loading result in the compression in the slab (due to the incline of cable), the bending effect in the girder and also the local pull-out loading on the slab; the combination of these effects lead to a complicated stress-strain condition in the slab. Because of this reason, othotropic steel decks or composite deck solution is used in many one-plane cable stayed bridges, such as the Rama VIII bridge pass over Chao Phraya river in Bangkor.

Reinforced concrete box girder can avoid the fatigue, vibration and large deformation problem as can be happened in steel box girder. However, there is no guidelines for calculation of reinforced concrete slab subjected to the local pull-out loading combine with overall compression and bending as explained above.

In order to avoid the local damage on the slab, the design solution in Bai Chay bridge is using the tension pipe connecting the top slab to two bottom edge of the cross-section in order to transfer the pull-out loading in the top slab to the bottom of webs.

This is an acceptable solution in term of loading capacity, but leading to many difficulties in construction; and the effect of the solution will be limited at the position where the incline angle of the cable is small and nearly perpendicular to the vertical pipe.

Therefore, we decided to carry out the doctoral thesis namely “Analysis of mechanical behavior of reinforced concrete box girder in one-plane cable stayed bridge” in order to propose the theoretical analysis model, validated by experimental study, to analyse the mechanical behavior of reinforced concrete girder in one-plane cable stayed bridge. Also, base on the proposed model, analyse the effectiveness of the strengthening method using vertical pipe as used in Bai Chay bridge.

The Aims, Objectives and Scope of research as summarized as follows:

  1. Aims

- Analyse and select the appropriate calculation model for analysing the local behavior of reinforced concrete slab subjected to out-of-plane loading;

- Perform experiments to validate the proposed theoretical model;

-Using the proposed model in analysing, evaluating the mechanical behavior of reinforced concrete box girder in one-plane cable stayed bridge.

- Compare and conclude on the effective solution for strengthening the concrete box girder subjected to cable force in term of loading capacity.

  1. Objectives and the Scope of Study

Structure: Reinforced concrete box girder subjected to pull out loading in the middle of the top slab;

Material: Reinforced concrete box girder, taking into account the non-linear behavior of steel and concrete.

Loading: limited to static loadings.

  1. Methodology
  • Literature review, determine the problem to be studied;
  • Experimental study;
  • Numerical modeling.
  1. Novel contributions of the study
  • Scientific contributions: Non-linear material model is employed for numerical modeling the behavior of concrete box girder of one-plane cable stayed bridge. Number of experimental experiments were tested to validate the numerical result.
  • Application contribution: the thesis results can be applied in modeling the practical concrete box girder one-plane cable stayed bridge; contributes in design and evaluation of cable stayed bridge.
  • Main contributions:
  • Propose the “total strain crack” model in analyse the local behavior of concrete box girder in one-plane cabale stayed bridge.
  • Propose the experimental speciments and tests to validate the theoretical model in this type of structure.
  • Numerical analysis of the mechanical behavior of reinforced concrete box girder bridge of one-plane cable stayed bridge subjected to local pull-out loading of cable forces, which will help to evaluate the effectiveness of the strengthening methods.