Nghiên cứu áp dụng kết cấu thép ứng suất trước
để tăng cường khả năng chịu lực
cửa van thép trong công trình thủy lợi

ThS. Trương Quốc Bình
Bộ môn Kết cấu công trình,
Trường Đại học Thủy lợi
Tóm tắt : Ứng suất trước đang được sử dụng ngày càng rộng rãi trong các công
trình xây dựng. Phương pháp ứng suất trước là tạo nên ứng suất trong kết cấu
ngược dấu với ứng suất do tải trọng tính toán gây ra, nhằm mục đích: tăng khả
năng chịu lực của kết cấu, tức giảm chi phí vật liệu nhưng vẫn bảo đảm khả năng
chịu lực yêu cầu và làm giảm biến dạng cuối cùng của kết cấu. Vì vậy việc nghiên
cứu, đề suất các sơ đồ ứng suất trước cho kết cấu thép cửa van là nhiệm vụ cấp
bách và cần thiết, nhất là hiện nay, việc sử dụng các kết cấu cửa van thép nhịp lớn
càng trở nên cần thiết để tạo nên các cửa van rộng ngăn triều và nước mặn xâm
nhập sâu vào đất liền
Trong bài viết, tác giả đã đưa ra phương pháp nghiên cứu phân tích cấu tạo
kết cấu, tạo sơ đồ căng ứng suất trước cho các kết cấu một cách hợp lý và kinh tế,
từ đó thiết lập sơ đồ tính toán của các kết cấu cụ thể của cửa van như dầm chính,
dàn ngang, dàn chịu trọng lượng và tiến hành tính toán so sánh ứng suất, biến
dạng của chúng so sánh với phương pháp truyền thống là dùng kết cấu thép
thường, rút ra được những ưu điểm của kết cấu ứng suất trước dùng trong công
trình cửa van thép để kiến nghị áp dụng.
1. Đặt vấn đề
Kết cấu ứng suất trước (ƯST) đang được sử dụng ngày càng rông rãi trong
các công trình xây dựng ở nước ta hiện nay bởi hiệu quả kinh tế kỹ thuật mà kết
cấu mang lại, song trong công trình thuỷ lợi chưa được sử dụng nhiều.
Ở nước ta hiên nay, sự biến đổi khí hậu và nước biển dâng đang đe dọa
nghiêm trọng các công trình thủy lợi đã và đang xây dựng, chúng làm thay đổi các
yêu cầu thiết kế và tính toán, thậm chí còn làm thay đổi nhiệm vụ của công trình
thủy lợi hoặc đặt thêm các yêu cầu phức tạp cho công trình thủy lợi, nhất là tại các

đổi căn bản khả năng chịu lực và biến dạng của toàn cửa van so với dầm thép
truyền thống.
a) Phân tích cấu tạo:
Câc phương pháp tạo ƯST :
. - Dùng dây căng bằng thép cường độ cao để gây ứng suất trước trong kết cấu,
bản chất của phương pháp này là năng lượng của dây căng trước được tích lũy gây
nên ứng suất ngược dấu với ứng suất do tải trọng gây ra, khi chịu tải cả dây căng
và thanh cùng làm việc.
- Điều chỉnh nội lực trong kết cấu bằng chuyển vị gối tựa.
- Tạo ứng suất trước bằng cách gây biến dạng đàn hồi các bộ phận của kết cấu
Dầm chính của cửa van thường dùng dạng chữ I chữ T hoặc dạng hộp, chiều
cao dầm ở 2 đầu nhỏ hơn ở giữa nhịp tùy thuộc vào chọn bề rộng khe van, chiều
dài dầm phụ thuộc kích thước khoang cống (hình 3).
Ứng suất trước trong dầm có thể được tạo ra bằng cách đặt thêm cáp hoặc bó
sợi thép có cường độ cao chịu kéo trong vùng kéo của dầm (hình 4).

Hình 3. Dầm chính cửa van phẳng bằng thép

Hình 4. Một số cách bố trí cáp căng cho dầm ƯST
Do sự lệch tâm của dầm gây ra bởi cáp cường độ cao, ứng suất kéo sẽ xuất
hiện ở vùng nén của dầm và giảm dần khi hoạt tải tác động lên dầm tăng lên, khi
đó ứng suất ban đầu do ứng suất trước gây ra dần dần trở về trạng thái trung hòa
và vì vậy mà tổng tải trọng dầm chịu được do hoạt tải gây nên sẽ tăng lên. Như
vậy là căng cáp đặt vào miền kéo của dầm đã làm tăng được tải trọng tác dụng lên
dầm.(phương pháp tạo ƯST bằng cáp hoặc bó sợi thép cường độ cao)
b) Nguyên lý tính toán của sơ đồ ƯST
Ở bài toán thanh chịu kéo có tiết diện A

2
= A
1
R
1
+ A
2
R
2
(1)
tr0ng đó A
2
là diện tích tiết diện dây căng
Đặt: α = A
2
/ A
1
và β = R
2
/ R
1
thì (1) được viết lại P
2
= A
1
R
1
(1+αβ)
Lượng (1+αβ) chính là hệ số tăng khả năng chịu lực của kết cấu ứng suất trước so
với kết cấu không có ứng suất trước.

trong đó:
X
1
- lực căng thêm của cáp
F
a
, L
a
- diên tích tiết diện chiều dài dây căng.
R
a
, E
a
- cường độ và môđun dàn hồi thép làm dây căng.

a
- độ mềm của neo
và lực căng trước P
kc
không được lớn hơn khả năng chịu nén của cánh dưới của
dầm trong quá trình tạo ứng suất trước.
3. Tính toán cửa van phẳng loại 2 dầm chính
- Số liệu tính toán
Chọn trường hợp tính toán cho của van phẳng trên mặt có kích thước thông
thường gặp trong thực tế: H
o
= 6m, L=12m
Vật liệu chế tạo cửa van là thép CT3 có E = 2,1.10
6
daN/cm

11
của dầm chính khi làm việc bình
thường không có ƯST
Như ta thấy trên hình vẽ, ứng suất của dầm khi không có ứng suất trước thể
hiện rõ miền kéo và nén. Ứng suất trước trong dầm sẽ được tạo ra sao cho ứng
suất ở các miền kéo nén đều giảm nhờ lực căng F đặt vào miền kéo của bụng dầm
(vị trí lực căng F ở hình 3). Lực căng F đã làm trạng thái ứng suất trong dầm thay
đổi có lợi cho khả năng chịu lực của dầm (hình 7 và 8).

Hình 7 Ứng suất pháp

11
của dầm chính làm việc khi có ƯST
(T=10T)

Hình 8 Ứng suất pháp

11
của dầm chính làm việc khi có ƯST
(T=20T) - Kết quả tính toán:
Kết quả tính toán dầm chính như sau:

Hình 9 Ký hiệu vị trí tính toán Bảng 1 Giá trị ứng suất tại các điểm ở miền kéo
của dầm trong các trường hợp tạo ứng suất trước:


TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Vũ Thành Hải, Trương Quốc Bình, Vũ Hoàng Hưng. Kết cấu thép-NXB Xây
dựng 2006
2. Kết cấu thép - công trình dân dụng và công nghiệp – Nhà xuất bản khoa học kỹ
thuật, Hà
Nội-2006
3. Design of metal structures. K. K Mukhanov – Mir Publishers. Moscow 1968
4. Prestressed Load-Bearing Metal Structures. E.Belenya, Mir Publicshers
Moscow 1977
5. Nguyễn Khánh Hùng, Phạm Thái Mạnh - Tính toán nội lực bằng SAP 2000
6. Thiết kế kết cấu thép - GS.TS Đoàn Định Kiến (Theo quy phạm Mỹ - NXBXD
2006)

Các ý kiến xin vui lòng gửi theo đia chỉ e-mail: [email protected] hoăc gọi
điện thoại
Trương Quốc Bình (04)3 563 6456 / DĐ 090 344 2467- Xin cảm ơn.