Home

 
 
 
Các đề tài nghiên cứu FTP Server Webmail Addr. list Member
 
   
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

DTCN04

 

NGHIÊN CỨU SỬ DNG KẾT CẤU BTCT NG SUT TRƯỚC TRONG CÔNG TRÌNH BẾN CP TÀU DẠNG CU TÀU ĐÀI CAO

 

 

THE APPLICATION OF PRE-STRESSED REINFORCED CONCRETE STRUCTURE ON PILE WHARF

 

 

ThS. Lâm n Phong ThS. Đoàn Đình Tuyết Trang

Bộ môn Cảng – Công Trình Biển, Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng, Trường Đại Hc Bách Khoa, Đại Hc Quốc Gia TPHCM

268 Lý Thưng Kiệt, Phưng 14, Quận 10, TPHCM, Việt Nam

Email: lamvanphong@hcmut.edu.vn , ddttrang@hcmut.edu.vn

 

 

 

TÓM TT

 

Kết cấu tông ct thép ng suất trưc (BTCTƯST) ra đời t khá lâu đưc ng dụng rất phbiến các nước tiên tiến. Ở nưc ta vic chế tạo kết cấu BTCTƯST với qui mô công nghiệp mới đưc áp dụng cách đây hơn chc m đang phát triển mạnh. Tuy nhiên mt số k xây dng hiện nay chưa hiểu rõ bản chất ca việc gây ứng suất trưc trong kết cấu bê tông ct thép (BTCT), lúc nào cũng cho rằng cấu kiện BTCTƯST hơn hẳn cấu kiện BTCT thông thưng. Bài báo này trình bày ngắn gọn v bản chất ca vic gây ứng suất trưc trong kết cấu BTCT khả năng ng dụng ca chúng trong công trình bến cập tàu dạng cầu tàu đài cao.

 

 

ABSTRACT

 

Pre-stressed Reinforced Concrete (PRC) structure is used very popular in modern countries for along time. In Vietnam, the manufacturing industry of PRC has been formed for ten years; and it is developing strong. However, some civil engineers did not understand clearly the essence of the cause of pre-stressed in reinforced concrete (RC) structure. Thus, they always think that PRC structure is better than RC one. This paper presents briefly the essence of PRC structure and its application on the pile wharf.

 

 

1.    GIỚI THIU CHUNG VỀ KT CU BTCT NG SUẤT TRƯỚC

 

 

1.1.   Đc điểm ca kết cu BTCT

 

1.1.1.   Đc điểm chu lực của tông

 

 

Về mặt chịu lực, khả năng chịu nén ca tông khá lớn, trong khi đó khả năng chịu kéo ca li nhỏ, ch bng khong 1/10 – 1/15 so với khi chịu nén. Khi trong kết cấu tông phát sinh mt ng suất kéo nhỏ cũng d ng gây nứt kết cấu. Tại ng xuất hiện vết nứt ng không còn khả năng chịu kéo. lý do này mà kết cấu ng nhanh chóng bị phá hoại khi chịu uốn hoặc kéo.

 

 

1.1.2.   Đc điểm chu lực của ct thép

 

 

Về mặt chịu lực, thép làm ct cho kết cấu BTCT khả năng chịu kéo nén xấp x nhau. Khnăng chịu kéo, nén ca ct thép ln n kh năng chịu nén ca bê tông hàng chục, thậm chí đến hàng trăm lần. Tuy nhiên do đ mảnh ca thanh ct thép trong cấu kiện rất lớn nên nếu đứng riêng mt mình thì mt lực nén nhỏ cũng th làm cho bị mất n đnh. Cũng d thy rằng nếu đứng riêng mt mình thì khung ct thép nhanh chóng bị phá hoại khi chịu uốn hoặc nén.

 

 

1.1.3.   Đc điểm chu lực của kết cu BTCT

 

 

Khi kết hợp hai vật liệu tông ct thép vào chung mt kết cấu mt cách hợp thì kh năng chịu lực ca tông cốt thép đưc cải thiện đáng kể. Kết cấu thể chịu đưc kéo, nén uốn (phần ứng suất kéo do ct thép chịu, còn phần ng suất nén do tông chịu, trong trường hợp cần thiết ct thép thể cùng chu nén với tông). Khi kết cấu chịu kéo uốn, phần bê tông trong kết cấu phát sinh các vết nứt làm gim kh năng chng ăn mòn ca kết cấu, từ đó làm gim tuổi th ca kết cấu, nhất là trong các môi trường ăn mòn mnh.

 

 

1.2.   Mục đích ca việc gây ng suất trước trong kết cu BTCT và các đc điểm của kết cu

BTCTƯST

 

 

Để khắc phc nhưc đim này ca kết cấu BTCT, ngưi ta sử dụng các biện pháp đ nén trước bê tông sao cho điều kiện khai thác, trong phần bê ng không xuất hiện ứng suất kéo (hoặc nếu có xuất hiện thì giá trị nhỏ, ch khả năng y những vết nứt b rộng không đáng kể). Cách m này gọi là gây ứng suất trưc trong kết cấu BTCT. Khi đưc nén trưc, tông trở nên chặt hơn, kéo theo độ cứng lớn hơn khả năng chống thm cao hơn. Ngoài ra tính chống mi của kết cấu cũng đưc nâng cao khilàm việc với tải trọng lặp li ([1] p.221)

Mc đích chính ca việc gây ứng suất tc m gim đến mức ti đa các vết nứt khả năng xuất hiện trong kết cấu BTCT, ng kh năng chng ăn mòn ca kết cấu, từ đó đảm bảo đưc tuổi thọ ca kết cấu, nhất là trong các môi trưng ăn mòn mạnh.

ý kiến cho rằng việc gây ứng suất trưc trong kết cấu BTCT còn nhằm mục đích làm gim biến dng ca cấu kiện (như đ võng ca dm,…) khi chu lực. Theo chúng tôi việc gim biến dạng ca cấu kiện khi chịu lực ch h qu (chứ không phải mc đích) ca việc gây ứng suất trưc trong kết cấu BTCT.

Tuy nhiên cần lưu ý vic gây ứng suất trưc còn thể gây ra các ứng suất o không mong muốn trong kết cấu, nhất khi gây ứng suất trưc không đối xng trong tiết diện ca kết cấu. Ngoài ra cũng th gây ra các vết nứt cc b trong kết cấu nếu việc nén trưc thực hiện không hợp lý. Mặt khác, công nghệ tạo ứng suất trưc đòi hỏi phi thiết bị đặc biệt, công nhân tay nghề cao, việc kim tra qui trình phải chặt chẽ, nếu không thể gây tut ct thép (do bung neo hoc mất lực dính với BT,…) gây mất an toàn lao động.

 

 

1.3.   Các phương pháp gây ng sut trước trong kết cu BTCT

 

 

1.3.1.   Phương pháp căng trước

 

 

Khi chế tạo cấu kiện BTCTƯST ngưi ta tiến hành kéo căng ct thép trong sut quá trình đ bê tông, đồng thời duy trì lực ng đó trong cả quá trình ỡng h tông. Ngưi ta chỉ ngng kéo ng ct thép (buông ct thép) khi ờng đ chịu nén ca bê tông đạt mt giá trị nhất định nào đó.

 

 

1.3.2.   Phương pháp căng sau

 

 

Khi chế tạo cấu kiện BTCTƯST ngưi ta tiến hành đúc cấu kiện bê tông như thông thường nhưng chừa sẵn các lỗ (hoặc rãnh) đ sau y, khi tông đạt đ ờng đ chịu nén qui đnh, người ta lun ct thép qua các lỗ này kéo căng chúng. Sau khi liên kết cứng các ct thép vào cấu kiện bê tông thì ngưi ta ngng kéo ng ct thép. Sau đó ngưi ta bơm vữa vào các lỗ đ chèn kín khoảng h quanh ct thép.

 

 

1.4.   Các điều kin để sử dụng kết cu BTCTƯST

 

 

1.4.1.   Khả năng v vật liệu

 

 

tông luôn bị nén trưc nên so với bình thưng (không b nén trưc), khả năng chịu nén ca bê tông bị gim yếu (ngưc lại, khả năng chịu kéo ca tông đưc tăng lên). do đó ngưi ta khuyến ngh sử dụng ng mác cao đ việc gây ứng suất trưc còn ý nghĩa.

ct thép luôn bị ng tc nên so với bình tng (kng b căng trưc), khả năng chu kéo ca ct thép bị giảm yếu. Đng thời kh năng chịu kéo ca ct thép không đưc suy giảm nhiều theo thời gian, đ dãn dài ca cũng không được ng nhiều theo thi gian. những lý do đó ngưi ta khuyến ngh sử dụng ct thép ờng đ cao loại đặc biệt đ việc gây ứng suất trưc còn ý nghĩa.

 

 

1.4.2.   Khả năng v công nghệ

 

 

Để th y ứng suất trưc trong kết cấu BTCT đòi hỏi phải thiết bị kéo ng, cố đnh ct thép qui trình thi công tương ng với thiết bị đó.

Thông thưng:

-    Phương pháp căng trưc thích hợp đ chế tạo các cấu kiện đúc sẵn (ở nhà máy hoặc công trưng), sau đó mới lắp đặt chúng vào v trí thiết kế.

-    Phương pháp căng sau thích hợp cho c cấu kiện đúc sẵn và đúc tại ch, việc kéo căng cốt thép thường tiến hành khi các cấu kiện đã ở vào vị trí thiết kế.

 

 

1.4.3.   Tình hình chịu lực của kết cu môi trường xung quanh

 

 

Không phải kết cấu BTCT nào cũng cần gây ứng suất trưc, nói cách khác việc gây ứng suất trưc ch hiệu qu đối vi mt số kết cấu hoặc mt số trường hợp chu lực ca kết cấu.

Từ mc đích ca việc gây ứng suất trưc cho kết cấu BTCT ta nhận thy:

-    Đi với các kết cấu chịu nén đúng m và lệch tâm thì việc gây ứng suất trưc bất lợi, chng nhng không cần thiết mà còn làm gim yếu kh năng chịu lực ca kết cu.

-    Đi với các kết cấu chịu nén lệch tâm lớn, chịu un, chịu kéo thì việc gây ứng suất trưc nói chung lợi.

Muốn biết nên gây ứng suất trưc cho kết cấu BTCT nào đó hay kng ta cần biết tình hình chịu lực ca kết cấu đ ăn mòn ca môi trường xung quanh.

th nói tình hình chịu lực tng quát ca kết cấu đưc th hiện qua các biểu đ bao ni lực ca nó. Nh biểu đ bao ni lực ta thể xác đnh đưc đâu vùng tông chu kéo giá tr lớn nhất ca ứng suất kéo ca kết cấu bao nhiêu. T đó xác đnh v trí tiết diện cần thiết ca ct thép gây

căng trưc.

Trường hợp tải trng tác dng lên kết cấu đổi chiều, mt vùng xác đnh ca tông lúc chịu nén, lúc chịu o. Khi đó cần cân nhắc về lợi ích bất lợi ca việc gây ứng suất trưc mang đến cho kết cấu quyết đnh nên dùng kết cấu BTCTƯST hay không.

 

2.    NGHIÊN CỨU NG DỤNG KẾT CẤU BTCTƯST TRONG CÔNG TRÌNH BN CP TÀU DNG CẦU TÀU ĐÀI CAO

 

 

2.1.   Giới thiệu công trình bến cp tàu dng cu tàu đài cao điển nh


 

 

Công trình bến cập tàu nơi diễn ra các hoạt động chính ca cảng như cập bến rời bến (ca tàu); bc hàng từ tàu lên bến và xếp hàng từ bến xung u; chuyển hàng hóa từ bến ra các kho bãi sau bến ngưc lại;…

Kết cấu bến cập tàu dạng cầu tàu đài cao điển nh gồm các bộ phn chính nền cc đài cc.

Đài cc thuộc loại đài cao, thưng bao gm c các kết cấu chịu lực va tàu, tựa tàu neo u. Đài cc còn đảm đương việc tiếp nhận các tải trọng do phương tiện bốc xếp, vận chuyển, kể cả các hàng hóa đặt tạm trên bến. Toàn b các tải trng (tĩnh tải và hoạt tải) theo c phương đứng phương ngang đưc đài cc truyền xung đất nền thông qua h cc bên dưi đài (gọi nền cc). Nền cc lại thường xuyên tiếp xúc với nưc môi tờng ăn mòn mạnh nên tui th ca công trình ch yếu ph thuộc vào tui th ca nền cc.

Trong công trình cảng, ngoài công trình bến cập tàu còn thể gặp dng cầu tàu đài cao các trụ va tàu, trụ neo tàu,…

 

2.2.   Những vấn đ kỹ thut cn quan tâm

 

Đặc đim ca công trình bến cập tàu thưng chạy dài theo tuyến mt cắt ngang hầu như ging nhau nên thể đưa v bài toán phng đ tính toán cho đơn giản. đ tính thường là hệ khung phẳng trong đó cc nền đất đưc thay bng h thanh ơng đương (có phương thng đng hoặc xiên theo trc cc), đài đưc thay bằng các dm ơng đương (thưng các thanh ngang). Liên kết giữa các thanh dầm thường là các liên kết cứng.

VN, h cc (BTCT) thường đưc đúc sẵn hạ xung đất nền bng phương pháp chấn động (đóng bằng búa); phần đài BTCT (gm h dầm và bn) đưc đúc tại ch. Nếu cc đưc gây ứng suất trưc đưc h xung đất nền bng phương pháp chấn đng thì cấu kiện này rất dễ b phá hoại đt ngột (gãy) trong quá trình đóng cc.

 

 

2.3.   Ti trng tác đng tác dụng lên kết cu

 

Tải trng và tác động tác dng lên kết cấu khá đa dng, đây tạm không xét đến tác động do nhiệt đ các yếu tố khác, ch xét đến các loại tải trng tác dụng lên kết cấu.

Tải trọng bản thân kết cấu: bao gm trọng ng bản thân ca các cấu kiện chính n cc, dầm, bản; ca các lớp ph mặt (bê tông nha đưng,…); ca các thiết b đặt cố định trên bến (đệm va, khung đ băng chuyền,…). Tải trng này luôn pơng thng đng hưng theo chiều ca trọng lực.

Tải trng do tàu tác dng lên kết cu: gồm các lực neo tàu, tựa tàu va tàu. Trừ lực neo tàu còn thành phần theo phương thng đng, tất cả các lực đều nằm trong mặt phẳng nằm ngang. Nếu xét trong mặt phẳng khung ngang tính toán thì lực va tàu lc ta tàu ớng từ phía nưc vào trong bờ, lực neo tàu hưng theo chiều ngưc lại, từ trong bờ ra phía nưc. Các lực y đặc điểm không bao giờ xuất hiện đồng thời trong kết cấu, tại mi thời điểm chỉ th xy ra mt trường hợp lực mà thôi (kng xét đối với trường hp nhiều tàu cùng tương tác với bến).

Tải trng do các phương tiện bốc xếp trên bến (hầu hết là cần trc) tải trng do các phương tiện vận chuyển trên bến (như ô tô, xe nâng hàng, đầu kéo,…) vị trí giá trị thay đổi theo thời gian, thưng thành phần thng đng hưng theo chiều trng lực quan trng nhất (có nh hưng đến kết cấu nhiều nht).

Tải trng do hàng hóa cht tm trên bến cũng loại hoạt tải v trí giá trị thay đổi theo thời gian, hưng theo chiều ca trọng lực. Đ lớn ca th lên đến cả trăm kN/m2.

Kh năng kết hợp ca các trường hợp tải cũng khá đa dạng vì các hoạt tải biến thiên khá nhiều, cả v v trí và đ lớn, làm cho tình hình chu tải ca kết cu cũng phức tạp theo.

 

2.4.   Biểu đồ bao ni lực của kết cu

 

Từ các biểu đ bao ni lực của kết cấu bến cập tàu dạng cầu tàu đài cao điển hình, chúng tôi rút ra nhận xét sau:

1.  Về biểu đ bao mô men:

    -   Mô men trong cc: cả hai bên ca cc đều khả năng b kéo căng , giá trị mô men gây căng ở hai bên tại cùng tiết diện cũng gần như nhau.

-   Mô men trong dầm: cả th trên thớ dưi  đều có kh ng b kéo căng, tuy nhiên phần giữa khung th dưi ng nhiều hơn, kể cả phạm vị gối cc, nhất khi tải cần trc đáng kể.

2.  Về biểu đ bao lực dọc:

-   Lực dọc trong cc: hầu hết các cc đều chịu nén với lực nén rất lớn, th gần bng sức chịu tải nén ca cc theo điều kiện đất nền. Trường hợp lực ngang do tàu tác dng lên khung lớn thì mt ít cc th chịu kéo (nh), nhất cc xiên trong chụm cc (đôi cc chéo), lực kéo khi đạt giá trị xấp x sức chịu tải nhổ ca cc theo điều kiện đất nền.

-   Lực dọc trong dm: khi gây kéo, khi gây nén nhưng giá trị thường không đáng kể, ít nh hưởng đến sự m việc ca dầm.

3.  Về cấu kiện cọc:

-   Trong điều kiện khai thác đa số cc làm việc chịu nén lệch tâm, độ lệch tâm (bé hoặc lớn) tùy thuộc chyếu vào ơng quan giữa đ lớn ca lực ngang do tàu tác dng và chiều dài tính toán chịu uốn ca cc. Một số ít cc làm việc chịu kéo lệch tâm.

-   Trong điều kiện vận chuyển cẩu dựng vào giá búa, cc làm vic chịu uốn ngang phẳng dưi tác dụng ca trọng lượng bản thân cc. Giá trị mô men lớn nhất trong điều kiện này có khi ln hơn cả giá trị men lớn nhất trong điều kiện khai thác.

4.  Về cấu kiện dầm:

-   Hầu hết các dm đưc đúc tại ch, làm việc với sơ đ dầm liên tc nhiều nhịp trên các gối đàn hồi, chịu uốn ngang phng dưi tác dụng ca tổng hợp các lc thng đứng nằm ngang.

5.  Về cấu kiện bản mặt cầu tàu (gi tắt bản):

-   Bản thường đưc đúc tại ch, khi đưc chế tạo sn ri lắp ghép.

-   Bản lắp ghép tuy lợi v mặt thi công nhưng làm gim đ cứng tổng th ca toàn công trình, nhất là khi chịu lực ngang, các mi nối d b phá hoại.

 

Từ các nhận xét trên, chúng tôi nhận thấy việc gây ứng suất trước trong kết cấu cần đưc cân nhắc, không thể áp dng rập khuôn. Cụ thể:

1.  Đi với cấu kiện cc:

-   Với các trường hợp chịu lực trong cc đều khả năng xuất hiện ng suất kéo, nếu không gây ứng suất trưc thì trong cc d phát sinh các vết nứt, tuổi th ca cc giảm rất nhanh do làm việc trong môi trưng tiếp xúc thường xuyên với nưc (nhất là nưc biển).

-   Việc gây ứng suất trưc th dùng phương pháp căng trưc hoặc ng sau (đa phần dùng căng trưc).

-   Bố trí ct thép căng trưc đều quanh tiết diện cc (đi xứng qua tâm cc) và gây ứng suất trưc đều nhau cho tất cả các cốt. Sau khi ngừng căng thép cc vẫn thng, không nh hưởng đến công tác h cc.

-   Nếu thể nên chn phương pháp hạ cc khác với phương pháp chấn động (như h bng phương pháp rung, xói c,…) hoặc dùng các biện pháp h trợ (như tạo l trưc, điện thẩm,…) s an toàn cho cc hơn.

2.  Đi với cấu kiện dm:

Nói chung không nên gây ứng suất trưc cho dầm vì các lý do sau:

-   Phải mang thiết b căng thép ra hiện trưng trong điều kiện sông c rất bất tiện.

-   Cả thớ trên thớ dưi dm đều thể bị kéo căng nhưng sự phân b này không đều đặn trên suốt chiều dài dầm.

Tuy nhiên tùy kết cấu cụ th thể quyết đnh gây ứng suất trưc cho dầm hay kng.

3.  Đi với cấu kiện bản:

-   Nếu bản đúc tại chổ thì nên dùng phương pháp căng sau tuyến lỗ chừa đ luồn cáp thưng đưng cong (dng hình sin).

-   Nếu bản đúc sẵn đ lắp ghép thì nên chn đ bản kê tự do 4 cạnh lên dầm không liên kết cứng với các bản xung quanh (liên kết khp hoặc chèn khe bng va tông không ct thép). Trường hợp này dùng phương pháp căng trưc sẽ hiệu qu hơn vì ct cần căng theo đưng thng. Tuy nhiên tùy kết cấu cụ th thể quyết đnh gây ứng suất trưc cho bản hay không.

 

3.    KẾT LUẬN KIẾN NGH

 

 

3.1.   Kết lun

 

Từ các phân tích trên ta nhận thy việc gây ứng suất trưc cho kết cấu BTCT nói chung lợi v mặt tui th, mt số trường hp còn làm cho kết cu chịu lực hp hơn.

Trong trường hợp kết cấu bến cập tàu dạng cầu tàu đài cao thì chỉn dùng kết cấu ứng suất trưc cho cấu kiện cc với mc đích chính hạn chế tc đ ăn mòn ca môi trường xung quanh, tăng tuổi th cho cấu kiện (là sở đảm bảo tui th ca toàn kết cấu). Với các cấu kiện dm, bản, i chung việc gây ng suất trưc không thích hợp.

Đi với các kết cấu khác có các cấu kin bằng BTCT ta cũng th vận dụng các luận đã trình bày đ xem nên gây ứng suất trưc cho những cấu kin nào trong kết cấu hợp lý nhất.

 

3.2.   Kiến nghị

 

Các k vấn thiết kế, nhất các kỹ chuyên v kết cấu BTCT cần cân nhắc tính hp lý khi đ xuất sử dng cấu kiện BTCT ứng suất trưc trong các kết cấu công trình.

 

TÀI LIỆU THAM KHO

1.  N.Đ.Cống, N.X.Liên, N.P.Tấn: Kết cấu bê tông cốt thép, NXB Xây dựng – Hà Nội (1984), pp. 220-251.

2.  R.F.Warner, K.A.Faulkes: Prestressed Concrete, 2n ed., Longman Cheshire  Australia (1998).

3.  N.T.M.Thúy: Tập đ ơng bài giảng v kết cấu BTCT ứng suất trưc Trường ĐHBK – ĐHQGTPHCM (2004).

 
 
 

Copyright © 2004 Portcoast Corp. All rights reserved