Tài liệu Phân tích một số phương pháp tính toán thiết kế đài cọc bê tông cốt thép và đề xuất việc sử dụng hợp lý

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA --------------------- PHẠM THANH NHA PHÂN TÍCH MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ĐÀI CỌC BÊ TÔNG CỐT THÉP VÀ ĐỀ XUẤT VIỆC SỬ DỤNG HỢP LÝ Chuyên ngành: Xây Dựng Cầu-Hầm Mã số ngành: 60 58 25 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP.HỒ CHÍ MINH, tháng 11 năm 2014 CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI: TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOAĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS.TS. LÊ THỊ BÍCH THỦY ........................... Cán bộ chấm nhận xét 1 : TS. LÊ BÁ KHÁNH ........................................... Cán bộ chấm nhận xét 2 : TS. PHÙNG MẠNH TIẾN ................................. Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ trường Đại học Bách Khoa Tp.Hồ Chí Minh ngày 17 tháng 01 năm 2015 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: 1. TS. VŨ XUÂN HÒA : CHỦ TỊCH 2. TS. LÊ BÁ KHÁNH : CÁN BỘ PHẢN BIỆN 1 3. TS. PHÙNG MẠNH TIẾN : CÁN BỘ PHẢN BIỆN 2 4. TS. NGUYỄN DANH THẮNG : ỦY VIÊN 5. TS. NGUYỄN CẢNH TUẤN : THƯ KÝ Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được chỉnh sửa CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TS. VŨ XUÂN HÒA TRƯỞNG KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH 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 và tên Học viên: PHẠM THANH NHA Ngày tháng năm sinh: 24/6/1981 Chuyên ngành: Xây dựng Cầu Hầm MSHV: 12144622 Nơi sinh: Hải Dương Mã số ngành: 60 58 25 I. TÊN ĐỀ TÀI: PHÂN TÍCH MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ĐÀI CỌC BÊ TÔNG CỐT THÉP VÀ ĐỀ XUẤT VIỆC SỬ DỤNG HỢP LÝ II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG LUẬN VĂN MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: Tổng quan CHƯƠNG 2: Các phương pháp tính toán thiết kế đài cọc bê tông cốt thép CHƯƠNG 3: Tính toán một số ví dụ, so sánh kết quả của các phương pháp và đề xuất việc sử dụng hợp lý KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC TÍNH TOÁN III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 10/02/2014 IV. NGÀY HOÀN THÀNH:14/11/2014 V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS LÊ THỊ BÍCH THỦY CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH PGS.TS LÊ THỊ BÍCH THỦY TS. LÊ BÁ KHÁNH KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận văn này, trước hết tôi xin trân trọng gửi lời cảm ơn đến tất cả các Quý Thầy Cô khoa Kỹ Thuật Xây Dựng trường Đại học Bách Khoa Tp.Hồ Chí Minh, những người đã truyền dạy cho tôi những kiến thức và kinh nghiệm hết sức quý báu trong suốt thời gian học tập tại trường. Bằng tất cả tấm lòng, tôi xin gửi những lời cảm ơn và tình cảm chân thành nhất đến Gia đình, bạn bè, đồng nghiệp, những người đã khuyến khích, hỗ trợ, động viên, tạo điều kiện cho tôi hoàn thành chương trình học tập cũng như luận văn này. Xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến PGS.TS.Lê Thị Bích Thủy, người đã khích lệ, tận tình hướng dẫn tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn. Mặc dù rất cố gắng hoàn thành luận văn, nhưng do thời gian và kiến thức có hạn, chắc chắn luận văn tốt nghiệp này vẫn còn những thiếu sót nhất định. Vì vậy, kính mong Quý Thầy Cô, Quý Anh Chị và các bạn đồng nghiệp đóng góp ý kiến giúp tôi khắc phục và nâng cao kiến thức hơn nữa. Xin chân thành cám ơn! Tp.Hồ Chí Minh, ngày 13 tháng 11 năm 2014 Tác giả Phạm Thanh Nha LỜI CAM ĐOAN Tôi tên Phạm Thanh Nha, tác giả của đề tài “Phân tích một số phương pháp tính toán thiết kế đài cọc bê tông cốt thép và đề xuất việc sử dụng hợp lý”, tôi xin cam đoan nội dung trong luận văn và tài liệu tham khảo đúng sự thật và mang tính khoa học như đã trình bày. TÓM TẮT LUẬN VĂN Có nhiều phương pháp tính toán đài cọc của cầu bê tông cốt thép: theo mô hình mặt cắt, theo mô hình giàn ảo và theo phương pháp phần tử hữu hạn. Hiện nay, phương pháp thông thường để tính toán, thiết kế đài cọc đài cọc là phương pháp theo mô hình mặt cắt, áp dụng lý thuyết dầm. Luận văn này thực hiện việc tính toán 09 ví dụ với kích thước tiết diện thân trụ khác nhau bằng phương pháp thông thường và phương pháp phần tử hữu hạn với phần mềm Midas/FEA. Kiểm tra, đối chiếu kết quả cho thấy độ chính xác khi tính toán bằng phương pháp thông thường tỉ lệ nghịch với kích thước thân trụ, đồng thời phương pháp thông thường chưa thể hiện được một số vị trí cụ thể có ứng suất lớn, cần thiết bố trí cốt thép chịu lực nhiều hơn. ABSTRACT There are several procedures to calculate and design concrete pile caps of a bridge: Sectional design model, strut-and-tie model and finite element method. Currently, as normal procedure, concrete pile caps is usualy designed with sectinonal design model, following beam theory. This thesis calculate pile caps with 09 examplies dimention of pier’s body section by sectional design model and finite element method with Midas/FEA softwear. Comparison with results from two methods demonstrate that accuracy of normal procedure is in inversed ratio to dimemtion of pier’s body section, and normal procedure can not show some positions with higher stress where longitudinal reinforcement should be concentrated. -aMỤC LỤC MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 1 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN ................................................................................... 2 1.1. KẾT CẤU CẦU BÊ TÔNG CỐT THÉP ........................................................ 2 1.2. MÓNG TRỤ CẦU BÊ TÔNG CỐT THÉP .................................................... 2 1.3. THỰC TẾ TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ĐÀI CỌC BÊ TÔNG CỐT THÉP TRONG CÔNG TÁC THIẾT KẾ HIỆN NAY ...................................................... 3 1.4. CÁC NGHIÊN CỨU ĐÃ THỰC HIỆN TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC ........... 4 Các nghiên cứu trong nước ...................................................................... 4 Các nghiên cứu ở nước ngoài .................................................................. 4 1.5. HÌNH DẠNG THÂN TRỤ ............................................................................. 6 1.6. HÌNH DẠNG, KÍCH THƯỚC HÌNH HỌC ĐÀI CỌC ................................... 7 1.7. VỊ TRÍ ĐÀI CỌC TRONG ĐẤT .................................................................... 8 CHƯƠNG 2 CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ĐÀI CỌC BÊ TÔNG CỐT THÉP ................................................................................................ 9 2.1. PHƯƠNG PHÁP SỬ DỤNG MÔ HÌNH THIẾT KẾ MẶT CẮT (PHƯƠNG PHÁP THÔNG THƯỜNG) ................................................................................... 9 Nguyên lý ................................................................................................ 9 Trình tự tính toán................................................................................... 10 Tính toán phản lực đầu cọc .................................................................... 12 Tính toán nội lực đài cọc ....................................................................... 14 Nhận xét ................................................................................................ 16 2.2. PHƯƠNG PHÁP SỬ DỤNG MÔ HÌNH GIÀN ẢO ..................................... 16 Nguyên lý .............................................................................................. 16 Phương pháp đường tải trọng để phát triển mô hình giàn ảo .................. 19 Tính toán nội lực giàn............................................................................ 21 2.3. PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN ..................................................... 21 Nội dung cơ bản của phương pháp phần tử hữu hạn .............................. 22 Mô hình hóa rời rạc kết cấu ................................................................... 23 Chuyển vị nút và lực nút ........................................................................ 23 -bCác bước tính toán kết cấu bằng phương pháp PTHH............................ 25 Phần mềm phục vụ tính toán – MIDAS/FEA ......................................... 25 Các loại phần tử trong Midas/FEA ........................................................ 26 Phần tử khối và hệ tọa độ trong Midas/FEA .......................................... 26 CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN MỘT SỐ VÍ DỤ, SO SÁNH KẾT QUẢ CỦA CÁC PHƯƠNG PHÁP VÀ ĐỀ XUẤT VIỆC SỬ DỤNG HỢP LÝ ........................... 29 3.1. CÁC VÍ DỤ TÍNH TOÁN CỤ THỂ ............................................................. 29 Giới thiệu chung về công trình .............................................................. 31 Phương pháp tính toán áp dụng ............................................................. 32 3.1.2.1. Phương pháp thông thường .............................................................. 32 3.1.2.2. Phương pháp phần tử hữu hạn ......................................................... 32 3.2. CƠ SỞ SO SÁNH ........................................................................................ 34 3.3. CÁC KẾT QUẢ TÍNH TOÁN ..................................................................... 34 Các tổ hợp tải trọng và phản lực đầu cọc ............................................... 35 Các kết quả tính toán ứng suất syy và sxx tại đáy đài.............................. 37 3.3.2.1. Ví dụ 1............................................................................................. 37 3.3.2.2. Ví dụ 2............................................................................................. 42 3.3.2.3. Ví dụ 3............................................................................................. 46 3.3.2.4. Ví dụ 4............................................................................................. 49 3.3.2.5. Ví dụ 5............................................................................................. 53 3.3.2.6. Ví dụ 6............................................................................................. 56 3.3.2.7. Ví dụ 7............................................................................................. 60 3.3.2.8. Ví dụ 8............................................................................................. 63 3.3.2.9. Ví dụ 9............................................................................................. 67 3.4. NHẬN XÉT CÁC KẾT QUẢ TÍNH TOÁN ................................................. 70 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................................. 75 -cDANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Mặt cắt dùng để tính toán và kiểm toán đài cọc ........................................ 3 Hình 1.2: Hình dạng mặt cắt thân trụ điển hình........................................................ 6 Hình 1.3: Hình dạng mặt cắt đài cọc điển hình ........................................................ 7 Hình 2.1: Minh họa giả thuyết Bernoulli.................................................................. 9 Hình 2.2: Hệ tọa độ và chiều dương (+) các tải trọng ............................................. 11 Hình 2.3: Chiều dương (+) nội lực cọc .................................................................. 11 Hình 2.4: Tính toán nội lực đài cọc theo phương trình cân bằng ............................ 14 Hình 2.5: Các vùng chịu tải ................................................................................... 17 Hình 2.6: Mô hình chống-giằng của một dầm cao.................................................. 18 Hình 2.7: Sử dụng phương pháp dòng lực để mô hình hoá..................................... 19 Hình 2.8: Sự rời rạc hóa kết cấu trong phương pháp PTHH ................................... 23 Hình 2.9: Thành phần và chiều dương ứng suất phần tử khối trong phần mềm Midas/FEA ............................................................................................................ 27 Hình 2.10: Hệ tọa độ địa phương cho phần tử khối trong phần mềm Midas/FEA... 27 Hình 3.1: Kích thước chung ví dụ tính toán ........................................................... 30 Hình 3.2: Mô hình hóa trụ cầu và tính năng tự động chia lưới có kiểm soát trong Midas/FEA ............................................................................................................ 33 Hình 3.3: Phản lực cọc được mô hình như những ngoại lực tác dụng vào đáy đài .. 33 Hình 3.4: Ví dụ 1- Phân bố ứng suất syy ................................................................ 39 Hình 3.5: Ví dụ 1- Phân bố ứng suất syy ở mặt cắt giữa đài ................................... 39 Hình 3.6: Ví dụ 1- Phân bố ứng suất syy ở mặt cắt có giá trị lớn nhất .................... 40 Hình 3.7: Ví dụ 1- Phân bố ứng suất sxx ................................................................ 40 Hình 3.8: Ví dụ 1- Phân bố ứng suất sxx ở mặt cắt có giá trị lớn nhất .................... 41 Hình 3.9: Ví dụ 2- Phân bố ứng suất syy ................................................................ 44 Hình 3.10: Ví dụ 2- Phân bố ứng suất sxx .............................................................. 44 Hình 3.11: Ví dụ 3- Phân bố ứng suất syy .............................................................. 47 Hình 3.12: Ví dụ 2- Phân bố ứng suất sxx .............................................................. 48 Hình 3.13: Ví dụ 4- Phân bố ứng suất syy .............................................................. 51 Hình 3.14: Ví dụ 4- Phân bố ứng suất sxx .............................................................. 51 Hình 3.15: Ví dụ 5- Phân bố ứng suất syy .............................................................. 54 -dHình 3.16: Ví dụ 5- Phân bố ứng suất sxx .............................................................. 55 Hình 3.17: Ví dụ 6- Phân bố ứng suất syy .............................................................. 58 Hình 3.18: Ví dụ 6- Phân bố ứng suất sxx .............................................................. 58 Hình 3.19: Ví dụ 7- Phân bố ứng suất syy .............................................................. 61 Hình 3.20: Ví dụ 7- Phân bố ứng suất sxx .............................................................. 62 Hình 3.21: Ví dụ 8- Phân bố ứng suất syy .............................................................. 65 Hình 3.22: Ví dụ 8- Phân bố ứng suất sxx .............................................................. 65 Hình 3.23: Ví dụ 9- Phân bố ứng suất syy .............................................................. 68 Hình 3.24: Ví dụ 9- Phân bố ứng suất sxx .............................................................. 69 Hình 3.25; 3.26: Sự biến thiên của syy đáy đài theo phương dọc cầu. .................... 73 Hình 3.27: Sự biến thiên của sxx đáy đài theo phương ngang cầu. ......................... 74 -eDANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Biểu 1.1: Biểu đồ thể hiện kết quả nghiên cứu của Perry Adebar and Luke ............. 5 Biểu 3.1: Kích thước đài cọc áp dụng cho các ví dụ tính toán ................................ 31 Biểu 3.2: Tổ hợp tải trọng tại mặt cắt chân thân trụ ............................................... 35 Biểu 3.3: Tổ hợp tải trọng tại đáy đài..................................................................... 35 Biểu 3.4: Phản lực đầu cọc cho tổ hợp tải trọng I-1 ............................................... 36 Biểu 3.5: Ví dụ 1- Thông số kích thước chung....................................................... 37 Biểu 3.6: Ví dụ 1- Biểu đồ ứng suất syy tại đáy đài theo phương ngang cầu........... 38 Biểu 3.7: Ví dụ 1- Biểu đồ ứng suất sxx tại đáy đài theo phương dọc cầu .............. 38 Biểu 3.8: Ví dụ 1- Biểu đồ so sánh giá trị ứng suất syy .......................................... 41 Biểu 3.9: Ví dụ 1- Biểu đồ so sánh giá trị ứng suất sxx .......................................... 42 Biểu 3.10: Ví dụ 2- Thông số kích thước chung..................................................... 42 Biểu 3.11: Ví dụ 2- Biểu đồ ứng suất syy tại đáy đài theo phương ngang cầu ......... 43 Biểu 3.12: Ví dụ 2- Biểu đồ ứng suất sxx tại đáy đài theo phương dọc cầu ............ 43 Biểu 3.13: Ví dụ 2- Biểu đồ so sánh giá trị ứng suất syy ........................................ 45 Biểu 3.14: Ví dụ 2- Biểu đồ so sánh giá trị ứng suất sxx ........................................ 45 Biểu 3.15: Ví dụ 3- Thông số kích thước chung..................................................... 46 Biểu 3.16: Ví dụ 3- Biểu đồ ứng suất syy tại đáy đài theo phương ngang cầu ......... 46 Biểu 3.17: Ví dụ 3- Biểu đồ ứng suất sxx tại đáy đài theo phương dọc cầu ............ 47 Biểu 3.18: Ví dụ 3- Biểu đồ so sánh giá trị ứng suất syy ........................................ 48 Biểu 3.19: Ví dụ 3- Biểu đồ so sánh giá trị ứng suất sxx ........................................ 49 Biểu 3.20: Ví dụ 4- Thông số kích thước chung..................................................... 49 Biểu 3.21: Ví dụ 4- Biểu đồ ứng suất syy tại đáy đài theo phương ngang cầu ......... 50 Biểu 3.22: Ví dụ 4- Biểu đồ ứng suất sxx tại đáy đài theo phương dọc cầu ............ 50 Biểu 3.23: Ví dụ 4- Biểu đồ so sánh giá trị ứng suất syy ........................................ 52 Biểu 3.24: Ví dụ 4- Biểu đồ so sánh giá trị ứng suất sxx ........................................ 52 Biểu 3.25: Ví dụ 5- Thông số kích thước chung..................................................... 53 Biểu 3.26: Ví dụ 5- Biểu đồ ứng suất syy tại đáy đài theo phương ngang cầu ......... 53 Biểu 3.27: Ví dụ 5- Biểu đồ ứng suất sxx tại đáy đài theo phương dọc cầu ............ 54 Biểu 3.28: Ví dụ 5- Biểu đồ so sánh giá trị ứng suất syy ........................................ 55 Biểu 3.29: Ví dụ 5- Biểu đồ so sánh giá trị ứng suất sxx ........................................ 56 -fBiểu 3.30: Ví dụ 6- Thông số kích thước chung..................................................... 56 Biểu 3.31: Ví dụ 6- Biểu đồ ứng suất syy tại đáy đài theo phương ngang cầu ......... 57 Biểu 3.32: Ví dụ 6- Biểu đồ ứng suất sxx tại đáy đài theo phương dọc cầu ............ 57 Biểu 3.33: Ví dụ 6- Biểu đồ so sánh giá trị ứng suất syy ........................................ 59 Biểu 3.34: Ví dụ 6- Biểu đồ so sánh giá trị ứng suất sxx ........................................ 59 Biểu 3.35: Ví dụ 7- Thông số kích thước chung..................................................... 60 Biểu 3.36: Ví dụ 7- Biểu đồ ứng suất syy tại đáy đài theo phương ngang cầu ......... 60 Biểu 3.37: Ví dụ 7- Biểu đồ ứng suất sxx tại đáy đài theo phương dọc cầu ............ 61 Biểu 3.38: Ví dụ 7- Biểu đồ so sánh giá trị ứng suất syy ........................................ 62 Biểu 3.39: Ví dụ 7- Biểu đồ so sánh giá trị ứng suất sxx ........................................ 63 Biểu 3.40: Ví dụ 8- Thông số kích thước chung..................................................... 63 Biểu 3.41: Ví dụ 8- Biểu đồ ứng suất syy tại đáy đài theo phương ngang cầu ......... 64 Biểu 3.42: Ví dụ 8- Biểu đồ ứng suất sxx tại đáy đài theo phương dọc cầu ............ 64 Biểu 3.43: Ví dụ 8- Biểu đồ so sánh giá trị ứng suất syy ........................................ 66 Biểu 3.44: Ví dụ 8- Biểu đồ so sánh giá trị ứng suất sxx ........................................ 66 Biểu 3.45: Ví dụ 9- Thông số kích thước chung..................................................... 67 Biểu 3.46: Ví dụ 9- Biểu đồ ứng suất syy tại đáy đài theo phương ngang cầu ......... 67 Biểu 3.47: Ví dụ 9- Biểu đồ ứng suất sxx tại đáy đài theo phương dọc cầu ............ 68 Biểu 3.48: Ví dụ 9- Biểu đồ so sánh giá trị ứng suất syy ........................................ 69 Biểu 3.49: Ví dụ 9- Biểu đồ so sánh giá trị ứng suất sxx ........................................ 70 Biểu 3.50: So sánh kết quả tính toán ...................................................................... 70 Biểu 3.51: Biểu đồ thể hiện sự thay đổi tỉ lệ sai khác kết quả tính syy giữa 2 phương pháp theo kích thước thân trụ ................................................................................ 71 Biểu 3.52: Biểu đồ thể hiện sự thay đổi tỉ lệ sai khác kết quả tính sxx giữa 2 phương pháp theo kích thước thân trụ ................................................................................ 72 Luận văn Thạc sĩ Trang 1 MỞ ĐẦU Đài cọc là kết cấu phần dưới chính của một cây cầu, có tác dụng nâng đỡ toàn bộ cây cầu. Độ ổn định, sự an toàn của kết cấu đài cọc liên quan mật thiết đến sự làm việc, khả năng khai thác và công năng của cây cầu. Việc tính toán và thiết kế là yếu tố đầu tiên và quan trọng quyết định sự ổn định, an toàn ấy. Nếu việc tính toán thiết kế đài cọc không chính xác, trường hợp tính thiếu khả năng chịu lực thì các hiện tượng lún lệch, đài cọc bị phá hoại sẽ xảy ra, ngược lại, nếu tính toán quá thừa thì lại gây ra việc lãng phí vật liệu không cần thiết. Chính vì vậy, việc tìm hiểu, nghiên cứu để hiểu biết hơn về phương pháp tính toán giúp cho người thiết kế lựa chọn được con đường đi ngắn nhất, phù hợp nhất để thực hiện nhiệm vụ thiết kế của mình, sao cho vừa đảm bảo công trình ổn định, an toàn nhưng tối ưu về mặt vật liệu và thời gian. Đó chính là ý nghĩa, cũng là lý do để học viên chọn đề tài “Phân tích một số phương pháp tính toán thiết kế đài cọc bê tông cốt thép và đề xuất việc sử dụng hợp lý”. Phạm Thanh Nha (Mã HV: 12144622) Luận văn Thạc sĩ Trang 2 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN Kết cấu bê tông cốt thép nói chung và cầu Bê tông cốt thép nói riêng hiện đang được áp dụng rộng rãi. Việc tính toán đài cọc bê tông cốt thép là một trong những phần công việc quan trọng trong tính toán thiết kế cầu. Kết cấu đài cọc phụ thuộc vào nhiều yếu tố như kết cấu nhịp, kết cấu móng…Chương này sẽ trình bày phần tổng quan về cầu bê tông cốt thép, thực tế tính toán thiết kế đài cọc hiện nay và tìm hiểu, hệ thống hóa các nghiên cứu đã được thực hiện trong và ngoài nước, từ đó giới hạn phạm vi nghiên cứu. 1.1. KẾT CẤU CẦU BÊ TÔNG CỐT THÉP Bê tông cốt thép là vật liệu phức hợp do Bê tông và cốt thép cùng cộng tác chịu lực. Bê tông là đá nhân tạo được chế tạo từ các vật liệu rời (cát, sỏi, đá…gọi là cốt liệu) và chất kết dính (xi măng hoặc các chất dẻo) [1]. Bê tông cốt thép được phát triển từ giữa thế kỷ 19, trải qua các thời kỳ, việc nghiên cứu lý luận và ứng dụng bê tông cốt thép rộng rãi từ cuối thế kỷ 19. Ngày nay, kết cấu bê tông cốt thép đã được sử dụng phổ biến, với cơ sở lý thuyết, tính toán tương đối đầy đủ. 1.2. MÓNG TRỤ CẦU BÊ TÔNG CỐT THÉP Khác với kết cấu nhịp, nơi có thể áp dụng đa dạng các loại vật liệu: bê tông cốt thép (thường/dự ứng lực), thép, Bê tông cốt thép và thép liên hợp... Kết cấu móng trụ cầu trong công trình cầu hiện đại thường sử dụng vật liệu Bê tông cốt thép và đài cọc là nơi truyền lực từ kết cấu nhịp xuống hệ thống móng cọc chống đỡ công trình. Phạm Thanh Nha (Mã HV: 12144622) Luận văn Thạc sĩ Trang 3 Trong kết cấu này, đài cọc là một khối bê tông bố trí trên đầu nhóm cọc, để truyền tải trọng từ kết cấu thân trụ xuống nhóm cọc, từ đó các cọc truyền xuống dưới nền đất. Sự ổn định và áp lực của nền đất càng xuống sâu thì càng tăng, trong khi đầu cọc phía trên là nơi tiếp nhận lực từ đài cọc truyền xuống do đó đầu cọc chính là nơi có chuyển vị và ứng suất lớn nhất. Lúc này, đài cọc có tác dụng liên kết các đầu cọc lại với nhau, khiến cho chuyển vị của đầu cọc giảm đi, độ ổn định của toàn bộ nhóm cọc được tăng lên. 1.3. THỰC TẾ TÍNH TOÁN THIẾT KẾ ĐÀI CỌC BÊ TÔNG CỐT THÉP TRONG CÔNG TÁC THIẾT KẾ HIỆN NAY Hiện nay, đối với các công trình cầu vừa và nhỏ, tại nhiều đơn vị tư vấn thiết kế trong nước cũng như cả những tài liệu tính toán của nước ngoài, việc tính toán đài cọc chủ yếu được áp dụng tính toán theo lý thuyết dầm. Theo mỗi phương, đài cọc được coi như các dầm kê trên các gối là các cọc. Theo đó, lực và mô men tác dụng từ kết cấu truyền qua thân trụ được phân ra theo từng phương để tính ra mô men và lực cắt. Vị trí tiếp giáp giữa thân trụ và đài cọc được coi như liên kết ngàm, do đó mặt cắt nguy hiểm chính là mặt cắt tại vị trí tiếp giáp này [2] [3]. Hình 1.1: Mặt cắt dùng để tính toán và kiểm toán đài cọc Phạm Thanh Nha (Mã HV: 12144622) Luận văn Thạc sĩ Trang 4 Ngoài ra, cũng có một số giả thiết tính toán không xét đến liên kết giữa thân trụ và đài cọc, coi như lực và mô men tác dụng từ kết cấu truyền qua thân trụ như những ngoại lực phân bố đều trên tiết diện mặt cắt thân trụ. 1.4. CÁC NGHIÊN CỨU ĐÃ THỰC HIỆN TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC Các nghiên cứu trong nước Lê Hòa đã nghiên cứu đề tài “Thiết kế đài cọc Bê tông cốt thép theo mô hình giàn ảo không gian: lý thuyết và thực nghiệm” [4]. Nội dung của đề tài là tính toán, thiết kế đài cọc theo phương pháp mô hình giàn ảo, gồm các trường hợp đài cọc tam giác đều 3 cọc, đài cọc hình vuông 4 cọc chịu nén đúng tâm và đài cọc hình vuông 4 cọc chịu nén lệch tâm bé. Phần thực nghiệm kiểm tra lại việc tính toán và bố trí cốt thép theo mô hình giàn ảo. Dựa vào kết quả thực nghiệm tác giả đã đưa ra những kết luận về sự hợp lý của việc thiết kế bố trí thép đài cọc theo phương pháp mô hình giàn ảo. Lê Đăng Long đã nghiên cứu đề tài “Phân tích sự làm việc của bệ cọc cầu dây trên móng cọc khoan nhồi theo sơ đồ chống-giằng” [5]. Nội dung của đề tài là áp dụng mô hình chống-giằng, còn gọi là mô hình giàn ảo để tính toán lại bệ trụ phía tây của cầu Thuận Phước. Dựa vào kết quả nghiên cứu, so sánh, tác giả đề xuất việc bố trí cốt thép hợp lý hơn tại các vùng xuất hiện thanh giằng trong mô hình giàn ảo. Các nghiên cứu ở nước ngoài Perry AdebarR, Daniel Kuchma, and Michael P. Collins đã nghiên cứu đề tài “Strut-and-Tie Models for the Design of Pile Caps-An Experimental Study” [6]. Nghiên cứu dựa trên kết quả kiểm tra 6 đài cọc bị thực nghiệm phá hoại để chỉ ra rằng phương pháp thiết kế cắt theo 2 phương đã không dự báo đúng được giá trị của tải trọng phá hoại và phương pháp sử dụng mô hình giàn ảo mô tả ứng xử của đài cọc cao một cách chính xác hơn. Perry Adebar and Luke (Zongyu) Zhou đã nghiên cứu đề tài “Design of Deep Pile Caps by Strut-and-Tie Models” [7]. Nghiên cứu này thiết kế đài cọc theo quy Phạm Thanh Nha (Mã HV: 12144622) Luận văn Thạc sĩ Trang 5 định của ACI và theo phương pháp tính toán dùng mô hình giàn ảo. Tiến hành các thí nghiệm phá hoại và so sánh các giá trị tải trọng cực hạn với các giá trị được tính toán từ các phương pháp khác nhau. Từ đó đưa ra những nhận xét và đề xuất việc bố trí các thép dọc phía trên các đầu cọc. Biểu 1.1: Biểu đồ thể hiện kết quả nghiên cứu của Perry Adebar and Luke Phạm Thanh Nha (Mã HV: 12144622) Luận văn Thạc sĩ Trang 6 1.5. HÌNH DẠNG THÂN TRỤ Hình dạng của thân trụ phụ thuộc chủ yếu vào kết cấu chịu lực của cầu. Có nhiều loại trụ khác nhau: trụ dạng tháp trong các loại cầu treo; trụ dạng tường, dạng cột trong các cầu đơn giản hay liên tục. Bên cạnh vấn đề chịu lực, trụ cầu còn là một bộ phận chính của cây cầu, là hình ảnh mang ấn tượng đầu tiên về cây cầu. Về cơ bản thì trụ cầu là một bộ phận của kết cấu phần dưới có vai trò truyền lực từ kết cấu phần trên xuống móng tại vị trí đầu dầm. Trụ cầu sẽ như một “phần sống” trong thiết kế cầu, đặc biệt là theo chiều dọc cầu. Thiết kế trụ cầu theo một khía cạnh nào đó cũng là một vấn đề nhạy cảm đối với người sử dụng, nhất là trong những trường hợp tận dụng hết lợi thế của cây cầu như: tận dụng không gian dưới cầu để nghỉ ngơi…Một phần chính nhất của trụ cầu tác động đến vấn đề mỹ quan này là thân trụ, xà mũ. Do đó thân trụ cầu cũng có hình dạng rất đa dạng. Xét về mặt cắt ngang, mặt cắt ngang thân trụ có thể được thiết kế rất nhiều hình dạng: mặt cắt ngang hình tròn, mặt cắt ngang hình chữ nhật, mặt cắt ngang hình chữ nhật vát góc, bo tròn… Hình 1.2: Hình dạng mặt cắt thân trụ điển hình Tuy nhiên, trong tính việc toán đài cọc của luận văn này, vấn đề mà ta quan tâm là dạng mặt cắt ngang thân trụ tại vị trí tiếp giáp với đài cọc. Ngay cả khi hình dạng Phạm Thanh Nha (Mã HV: 12144622) Luận văn Thạc sĩ Trang 7 thân trụ có cấu tạo mặt cắt khác như bo tròn, vát góc…thì khi tính toán, xác định mắt cắt nguy hiểm, ta đều quy về mặt cắt hình chữ nhật đồng tâm, có diện tích tương đương. Do đó, trong phạm vi luận văn này, để thuận tiện, chọn thân trụ có mặt cắt hình chữ nhật. 1.6. HÌNH DẠNG, KÍCH THƯỚC HÌNH HỌC ĐÀI CỌC Như đã trình bày, đài cọc có tác dụng chủ yếu là liên kết các nhóm cọc, truyền lực từ kết cấu xuống cọc, do vậy, hình dạng đài cọc thường được quyết định bởi số lượng cọc và mặt bằng bố trí cọc. Số lượng cọc, mặt bằng bố trí cọc rất đa dạng, phụ thuộc vào từng cầu khác nhau, do đó hình dạng đài cọc cũng thường rất đa dạng. Hình 1.3: Hình dạng mặt cắt đài cọc điển hình Một điều hiển nhiên là, với mỗi loại kích thước hình học của đài cọc, thì việc tính toán, bố trí cốt thép là khác nhau. Tuy nhiên, trong phạm vi luận văn này, đài cọc hình chữ nhật với các kích thước dài x rộng x cao (A x B x H) được xem xét đưa vào làm ví dụ tính toán. Phạm Thanh Nha (Mã HV: 12144622) Luận văn Thạc sĩ Trang 8 1.7. VỊ TRÍ ĐÀI CỌC TRONG ĐẤT Trong tính toán móng cọc nói chung, căn cứ vào vị trí của đài cọc trong đất mà thực chất là căn cứ vào áp lực ngang của đất tác dụng lên đài cọc mà ta có các loại móng cọc đài cao và móng cọc đài thấp [1]. Hướng nghiên cứu của đề tài là về tính toán nội lực của đài cọc, do đó vị trí của đài cọc trong đất không ảnh hưởng tới mục tiêu nghiên cứu.Vì vậy, để đơn giản trong tính toán, ta không xét đến tác dụng của đất nền lên đài cọc, đất nền không tham gia chịu tải, tức đài cọc coi chỉ tựa lên trên các đầu cọc, toàn bộ lực từ đài cọc truyền xuống hệ cọc. Qua các trình bày ở trên, ta thấy rằng việc tìm hiểu, nghiên cứu các phương pháp tính toán đài cọc bê tông cốt thép là việc làm cần thiết, đáp ứng được yêu cầu từ thực tiễn tính toán, thiết kế công trình cầu hiện nay. Việc phân tích, nghiên cứu sẽ được thực hiện trên trụ cọc đài cao, đài cọc bê tông cốt thép hình chữ nhật. Phạm Thanh Nha (Mã HV: 12144622)