Nghiên cứu ứng xử của nút khung biên trong kết cấu liên hợp dầm thép cột bê tông cốt thép - Luận án tiến sĩ kỹ thuật xây dựng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI LÊ ĐĂNG DŨNG NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ CỦA NÚT KHUNG BIÊN TRONG KẾT CẤU LIÊN HỢP DẦM THÉP CỘT BÊ TÔNG CỐT THÉP LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÀ NỘI, 2022 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI LÊ ĐĂNG DŨNG NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ CỦA NÚT KHUNG BIÊN TRONG KẾT CẤU LIÊN HỢP DẦM THÉP CỘT BÊ TÔNG CỐT THÉP LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGÀNH: KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH ĐẶC BIỆT MÃ SỐ: 9580206 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. Nguyễn Xuân Huy PGS. Nguyễn Quang Huy HÀ NỘI- 2022 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận án này là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi. Các kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa được công bố trong các công trình khác.

Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định. Hà Nội, Ngày 01 tháng 08 năm 2022 Tác giả Lê Đăng Dũng i LỜI CẢM ƠN Luận án được thực hiện dưới sự hướng dẫn trực tiếp của PGS. Nguyễn Xuân Huy và PGS. Nguyễn Quang Huy.

Tôi xin được gửi lời cảm ơn chân thành tới các Thầy, những người đã dành cho tôi nhiều lời khuyên, sự định hướng, và cả những hỗ trợ quý báu trong suốt quá trình học tập. Tôi chân thành cảm ơn các Thầy Cô giáo là Giảng viên ở Bộ môn Công trình giao thông thành phố và Công trình thủy, cảm ơn PGS. Nguyễn Thị Tuyết Trinh đã giúp đỡ tôi rất nhiều về mặt tinh thần, và các chỉ dẫn trong quá trình học tập và nghiên cứu. Tôi chân thành cảm ơn PGS.

Ngô Đăng Quang, TS. Nguyễn Huy Cường cùng các Giảng viên ở Bộ môn Kết cấu xây dựng đã giúp đỡ tôi rất nhiều về mặt khoa học, công việc, và những hỗ trợ về tinh thần trong suốt quá trình nghiên cứu. Tôi chân thành cảm ơn anh Nguyễn Thành Tâm, TS. Lê Minh Cường, TS.

Ngô Ngọc Quý và các Cán bộ ở Phòng thí nghiệm công trình, Trung tâm Khoa học Công nghệ GTVT đã nhiệt tình giúp đỡ tôi trong việc thực hiện các thí nghiệm của luận án. Tôi trân trọng cảm ơn Ban Giám Hiệu trường Đại học Giao thông vận tải, Lãnh đạo Bộ môn Kết cấu xây dựng, Lãnh đạo Khoa Kỹ thuật xây dựng đã tạo nhiều điều kiện thuận lợi để tôi hoàn thành luận án này. Tôi trân trọng cảm ơn Phòng Đào tạo Sau đại học Trường Đại học Giao thông vận tải đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu. Cuối cùng, tôi muốn được bày tỏ sự biết ơn đến các đồng nghiệp, các bạn sinh viên, người thân, và bạn bè đã giúp đỡ tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu.

Hà Nội, Ngày 01 tháng 08 năm 2022 Tác giả Lê Đăng Dũng ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN.II MỤC LỤC. III DANH MỤC BẢNG BIỂU. VII DANH MỤC HÌNH ẢNH. VIII CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU.

XIV MỞ ĐẦU.1 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG CỦA NÚT KHUNG LIÊN HỢP DẦM THÉP CỘT BÊ TÔNG CỐT THÉP 7 1.1 Tình hình sử dụng kết cấu khung liên hợp.2 Tổng quan về nút khung.1 Khái niệm và phân loại nút khung.2 Đặc điểm làm việc của nút khung.3 Tình hình nghiên cứu nút khung trên thế giới.4 Tình hình nghiên cứu nút khung ở Việt Nam.5 Tình hình nghiên cứu nút khung RCS.6 Các nghiên cứu về cấu tạo nút.7 Các dạng phá hoại có thể xuất hiện trên kết cấu khung RCS.3 Các nghiên cứu nút khung sử dụng liên kết dạng khóa chịu cắt.4 Nghiên cứu có liên quan đến nội dung của luận án.5 Phân tích, đánh giá các nghiên cứu đã được thực hiện.6 Kết luận chương 1. 34 CHƯƠNG 2 XÂY DỰNG MÔ HÌNH ỨNG XỬ NÚT KHUNG LIÊN HỢP DẦM THÉP CỘT BÊ TÔNG CỐT THÉP 36 2.1 Mục đích của nghiên cứu.2 Cơ sở đánh giá ứng xử của nút khung.1 Tương quan của nút khung trong kết cấu khung.2 Sức kháng cắt của nút khung.3 Phản ứng không đàn hồi của kết cấu.7 Biến dạng của nút.3 Đề xuất nút khung biên được nghiên cứu.4 Phân tích cơ cấu truyền lực giữa các thành phần trong nút.5 Mô hình xác định sức kháng của dạng nút khung được nghiên cứu.1 Sức kháng của các phần tử vùng nút.2 Sức kháng nén cục bộ của các thành phần ở vùng nút.3 Sức kháng kéo cục bộ của bản bụng thép hình.4 Sức kháng uốn cục bộ của bản cánh thép hình đặt trong cột bê tông cốt thép 57 2.5 Sức kháng của vùng giao thoa.6 Sức kháng cắt của cột.7 Sức kháng của mặt cắt các cấu kiện dầm, cột.8 Sức kháng của mối hàn.6 Tổng hợp các công thức xác định sức kháng thành phần của nút.7 Kết luận chương 2. 65 CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH ỨNG XỬ CHỊU LỰC CỦA NÚT KHUNG LIÊN HỢP DẦM THÉP CỘT BÊ TÔNG CỐT THÉP 67 3.1 Mục đích nghiên cứu.2 Cấu tạo của các mẫu thí nghiệm.1 Xây dựng mô hình thí nghiệm.2 Cấu tạo chi tiết mẫu thí nghiệm.3 Vật liệu được sử dụng để chế tạo mẫu thí nghiệm.3 Nghiên cứu thực nghiệm nút khung liên hợp dầm thép cột bê tông cốt thép chịu đồng thời tải trọng đứng và tải trọng ngang tĩnh.1 Hệ thống gia tải.2 Thiết bị đo và hệ thống thu nhận số liệu.3 Kết quả thí nghiệm nút khung chịu tải trọng tĩnh.4 Nghiên cứu thực nghiệm nút khung liên hợp dầm thép cột bê tông cốt thép chịu đồng thời tải trọng đứng và tải trọng ngang đổi chiều.1 Giới thiệu chung.2 Mẫu thí nghiệm nút khung chịu tải trọng đổi chiều.3 Kết quả thí nghiệm nút khung chịu tải trọng đổi chiều.4 Quan hệ giữa lực tác dụng với chuyển vị của các mẫu chịu tải trọng lặp.5 Khả năng tiêu tán năng lượng.6 Sự suy giảm độ cứng.7 Độ dẻo của các mẫu thí nghiệm.5 So sánh kết quả thí nút khung chịu tải trọng tĩnh với nút khung chịu tải trọng đổi chiều.6 Kết luận chương 3. 101 CHƯƠNG 4 NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG SỐ THEO PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN.1 Mục đích nghiên cứu.2 Xây dựng mô hình mô phỏng số.1 Mô hình tổng thể.2 Mô hình vật liệu.3 Cấu tạo mô hình và tải trọng.4 Kết quả mô phỏng.5 Nghiên cứu tham số.3 Kết luận chương 4.

122 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ. 126 DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ ĐƯỢC CÔNG BỐ. 127 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 137 v DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Thông số vật liệu được sử dụng cho các mẫu.1 Công thức xác định sức kháng của các thành phần cấu tạo nút.1 Các mẫu được sử dụng trong nghiên cứu thực nghiệm.2 Đặc trưng vật liệu thép sử dụng trong mẫu thí nghiệm.3 Điểm chảy ở các vị trí cảm biến của hai mẫu thí nghiệm.4 Sức kháng của các thành phần theo mô hình lý thuyết với kết quả thí nghiệm của mẫu 1.5 Sức kháng của các thành phần theo mô hình lý thuyết với kết quả thí nghiệm của mẫu 2.6 Giá trị lực và độ lệch tầng ở thời điểm chảy và thời điểm sức kháng lớn nhất của các mẫu thí nghiệm.1 Các thông số được sử dụng cho mô hình CDP trong nghiên cứu của luận án.2 Thông số mô hình của vật liệu bê tông sử dụng cho mô hình CDP.3 Các tham số của các mô hình nghiên cứu sự ảnh hưởng của chiều dài thép hình.4 Các tham số của các mô hình nghiên cứu sự ảnh hưởng của chiều dày thép tấm gia cường trong vùng nút khung.5 Các tham số của các mô hình nghiên cứu sự ảnh hưởng của chiều dài thép tấm gia cường trong vùng nút khung.6 Tham số trong các mô hình nghiên cứu ảnh hưởng của lực nén dọc trong cột.120 vi DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Khung thép, sàn liên hợp thép – BTCT/sàn BTCT.2 Khung có cột và dầm là kết cấu liên hợp.3 Kết cấu RCS sử dụng cho công trình nhà nhịp lớn và nhà nhiều tầng [37].4 Sơ đồ khung phẳng và phân loại nút khung theo vị trí.5 Các dạng nút khung được đề xuất trong nghiên cứu của Nishiyama, 2004.6 Cấu tạo nút khung trong nghiên cứu của Nishimura và Pan [58] [86].7 Cấu tạo nút khung trong nghiên cứu của Zhang và Zibasokhan [29] [87].8 Cấu tạo nút khung trong nghiên cứu của Seyed [73].9 Cấu tạo nút khung trong nghiên cứu của Wu [81] và Wang [84].10 Cấu tạo nút khung trong nghiên cứu của Wu và Yu [22] [78].11 Khớp dẻo xảy ra ở dầm và dạng vết nứt ở cột BTCT [14].12 Khớp dẻo xảy ra ở cột/nút [36].13 Dạng phá hoại xảy ra ở nút khung dầm liên tục qua nút [49].14 Dạng phá hoại xảy ra ở các vị trí cục bộ của liên kết.15 Cấu tạo nút khung trong nghiên cứu của Pan [86].16 Cấu tạo nút khung trong nghiên cứu của Choi và Xu [24].17 Cấu tạo nút khung trong nghiên cứu của Zhang [43] [44].18 Cấu tạo nút khung trong nghiên cứu của Zhang [44] và Feng [75].19 Cấu tạo nút khung trong nghiên cứu của Montava [40].20 Cấu tạo nút khung trong nghiên cứu của Liao [36].21 Dạng phá hoại trong nghiên cứu về liên kết của Zha [83].22 Cấu tạo vùng nối/giao thoa trong các nghiên cứu của Gao và Jia [47] [48] [82].23 Cấu tạo mẫu thí nghiệm trong nghiên cứu ở INSA Rennes.24 Sơ đồ thí nghiệm trong nghiên cứu ở INSA Rennes [76].25 Vị trí các cảm biến đo biến dạng của cốt thép và thép hình [76].26 Hình dạng vết nứt trên bê tông cột sau khi kết thúc thí nghiệm trong nghiên cứu ở INSA Rennes [76].27 Biểu đồ quan hệ tải trọng-độ lệch tầng của các mẫu thí nghiệm trong nghiên cứu ở INSA Rennes.28 Thời điểm các vị trí thép chảy dẻo trên đường quan hệ tải trọng-độ lệch tầng.1 Một trường hợp về sơ đồ biến dạng và biểu đồ mô men uốn của khung.2 Mô men uốn và lực cắt ở nút biên và nút giữa [89].3 các cơ cấu phá hoại điển hình ở kết cấu khung [4].4 Một số dạng đường cong trễ đặc trưng.5 Biểu đồ để xác định độ dẻo của kết cấu.6 Biểu đồ xác định độ cứng cát tuyến của kết cấu [5].7 Biểu đồ được dùng để xác định giá trị cản riêng của kết cấu.8 Vị trí đặt dụng cụ đo chuyển vị để xác định biến dạng của nút.9 Cấu tạo của phần thép hình.10 Các dạng cấu tạo của nút được nghiên cứu trong luận án.11 Các phân vùng của nút khung được nghiên cứu trong luận án.12 Sơ đồ tính và biểu đồ nội lực của nút khung khi bỏ qua vùng nút.13 Sơ đồ tính và biểu đồ nội lực của nút khung khi xét đến vùng nút.14 Biểu đồ nội lực của các thành phần cấu thành nút khung.15 Nội lực thành phần trên các mặt cắt vùng nút khung.16 Vị trí tác dụng của lực truyền từ cánh dầm thép sang thép hình [33].17 Các thành phần tham gia vào chịu cắt của nút khung có cốt thép đai liền (không có thép tấm gia cường).