Luận án nghiên cứu ứng xử cơ học kết cấu mặt cầu bê tông cốt thép dạng bản trên dầm chịu tác dụng tĩnh của tải trọng xe tt

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI NGUYỄN ĐỨC HIẾU NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ CƠ HỌC KẾT CẤU MẶT CẦU BÊ TÔNG CỐT THÉP DẠNG BẢN TRÊN DẦM CHỊU TÁC DỤNG TĨNH CỦA TẢI TRỌNG XE TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ Ngành: Kỹ thuật xây dựng cơng trình giao thơng Chun ngành: Xây dựng cầu hầm Mã số: 9580205 Hà Nội - 2022 Cơng trình hồn thành tại: Trường Đại học Giao thông vận tải Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Trần Thế Truyền Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án bảo vệ trước hội đồng chấm luận án cấp Trường theo Quyết định Số /QĐ-ĐHGTVT ngày tháng năm 2022 họp tại: Trường Đại học Giao thơng vận tải vào hồi ngày tháng năm 2022 Có thể tìm hiểu luận án thư viện: - Thư viện Trường Đại học Giao thông vận tải; - Thư viện Quốc Gia MỞ ĐẦU Đặt vấn đề nghiên cứu Giải pháp mặt cầu (BMC) bê tông cốt thép (BTCT) dạng dầm sử dụng phổ biến cơng trình cầu [6] Đây phận đóng vai trị quan trọng kết cấu nhịp BMC tham gia chịu lực tổng thể chịu lực với dầm đỡ/sườn dầm, chịu lực cục tải trọng bánh xe, với dầm ngang phân phối hoạt tải theo phương ngang cầu, che chắn bảo vệ kết cấu bên Các dạng hư hỏng chủ yếu mặt cầu thường gặp nứt, vỡ, bong tróc bê tơng, mài mịn [10] Nứt mặt cầu dẫn đến nước chất ăn mòn thấm nhập vào bê tơng, ăn mịn, gỉ cốt thép, gây bong tróc lớp bê tơng, nước thấm qua khe nước xuống dầm đỡ, gây mĩ quan công trình Nếu khơng khắc phục kịp thời, vết nứt mở rộng, lan truyền, cốt thép bị gỉ, ăn mòn làm suy giảm khả chịu lực Cuối dẫn đến suy giảm khả chịu lực, giảm khả khai thác, suy giảm tuổi thọ, xuống cấp công trình Do đó, chất lượng mặt cầu ảnh hưởng lớn đến cơng trình cầu Ở Việt Nam, tình trạng xe tải phương tiện giao thông tương đối phổ biến Nguyên nhân tải q trình cơng nghiệp hóa diễn nhanh chóng mà hạ tầng giao thơng chưa đáp ứng kịp, có nhiều cầu cũ chưa sửa chữa, tăng cường, ý thức chấp hành luật lệ giao thông chưa cao, nhu cầu vận chuyển số loại máy móc, thiết bị đặc biệt Do yếu tố bất lợi mơi trường nhiệt đới nóng ẩm điều kiện khai thác tải nên tượng hư hỏng mặt cầu bê tông Việt Nam xảy tương đối phổ biến Chi phí cho cơng tác tu bảo dưỡng, sửa chữa mặt cầu nói riêng hệ thống cầu đường nói chung tốn [9] Về thiết kế kháng nứt mặt cầu BTCT tải trọng, tiêu chuẩn AASHTO LRFD TCVN 11823:2017 quy định khoảng cách cốt thép, 22TCN 272-05 tính duyệt giới hạn ứng suất cốt thép chủ theo trạng thái giới hạn sử dụng (sử dụng tổ hợp tải trọng tiêu chuẩn để tính duyệt) Các tiêu chuẩn thiết kế không xét tới hình thành, lan truyền mở rộng vết nứt theo lý thuyết học phá hủy rạn nứt bê tông Mặt khác, công tác thiết kế mặt cầu BTCT số đơn vị tư vấn nhiều tồn chưa xác định sơ đồ dải tương đương rõ ràng, giả thiết đơn giản hóa tốn nhiều chưa hợp chưa sát với thực tế; chưa có so sánh, lựa chọn cấp bê tơng, loại, chủng loại bố trí cho cốt thép chủ cách cụ thể Các cơng trình nghiên cứu nước nghiên cứu ứng xử nứt mặt cầu BTCT, cụ thể, ứng xử nứt cầu BTCT [10]; giảm nứt cầu thông qua việc sử dụng vật liệu thay [17]; ứng xử nứt mặt cầu BTCT nhiệt độ mơi trường [20] Các cơng trình nghiên cứu chưa giải chế nứt, phân bố lan truyền nứt mặt cầu BTCT xe tải nặng Các cơng trình nghiên cứu nước nghiên cứu ứng xử nứt BTCT tải trọng hạn chế Nghiên cứu Trịnh Văn Tồn (2010) [5] nhằm phân tích, đánh giá hư hỏng mặt cầu phận kết cấu nhịp xe tải nặng dựa lý thuyết mỏi Tác giả đánh giá tổn thương kết cấu mỏi sau chu trình ứng suất xe tải nặng gấp nhiều lần xe tải nằm giới hạn cho phép Tuy nhiên, nghiên cứu chưa đánh giá cụ thể hình thành phát triển vết nứt tác dụng xe tải nặng tải trọng gây nứt, vùng phân bố nứt Xe tải tác dụng lên kết cấu nhịp sinh ứng suất lớn mặt cầu BTCT làm BT bị nứt Khi bê tông bị nứt, vùng chịu kéo, lực kéo bê tông truyền cho cốt thép chịu, ứng suất cốt thép tăng lên, độ cứng BMC giảm làm độ võng tăng lên, gây thấm nước mĩ quan Rõ ràng tình trạng nghiêm trọng để xảy tình trạng xe tải khơng kiểm sốt hiệu Bản mặt cầu bị nứt, lại tiếp tục phải chịu tải trạng thái khơng tồn vẹn, vết nứt tiếp tục phát triển, lan truyền mở rộng, dẫn đến tình trạng hư hỏng nặng hơn, giảm tuổi thọ, làm tổn thất chất lượng khả khai thác cơng trình Cần có nghiên cứu chuyên sâu ứng xử học mặt cầu BTCT xe tải nặng Việc làm rõ chế xuất hiện, lan truyền mở rộng vết nứt BTCT mặt cầu tải trọng nói chung xe tải có sở để hồn thiện thêm giải pháp kết cấu mặt kiểm soát tải trọng xe thực tiễn khai thác cầu Do đó, việc chọn đề tài nghiên cứu “ Nghiên cứu ứng xử học kết cấu mặt cầu bê tông cốt thép dạng dầm chịu tác dụng tĩnh tải trọng xe ” cần thiết, có ý nghĩa khoa học thực tiễn Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu đề tài mặt cầu bê tông cốt thép dạng dầm kết cấu nhịp giản đơn Trong đó, mặt cầu BTCT đổ sườn dầm đổ chỗ liên hợp với dầm chủ Mục tiêu nghiên cứu Xác định chế xuất hiện, lan truyền, mở rộng vết nứt với ứng suất, độ võng kết cấu mặt cầu bê tông cốt thép dạng dầm đổ chỗ chịu tác dụng tĩnh tải trọng xe Phương pháp nghiên cứu Phương pháp điều tra: để thu thập, khảo sát, đánh giá thực trạng vết nứt mặt cầu bê tông cốt thép đổ chỗ Phương pháp phân tích tổng hợp lý thuyết: nghiên cứu tài liệu liên quan nhằm lựa chọn mơ hình phù hợp cho mơ nứt mặt cầu bê tông cốt thép đổ chỗ nguyên nhân xe ôtô tải Phương pháp mơ hình hố: mơ số nứt mặt cầu bê tông cốt thép đổ chỗ nguyên nhân xe ôtô tải theo lý thuyết học phá hủy Phương pháp thực nghiệm: Xây dựng mơ hình, bố trí tiến hành thí nghiệm xác định ứng xử học kết cấu nhịp dầm T mới, kết cấu nhịp dầm T hư hỏng gia cố FRP BTCT kê cạnh tác dụng tải trọng tĩnh Phạm vi nghiên cứu Không xét tới tác động qua lại tải trọng yếu tố gây nứt co ngót, ăn mịn, nhiệt độ, mỏi đến nứt mặt cầu Không xét tới hư hỏng ban đầu mặt cầu Tải trọng sử dụng mô số xe tải nặng đặt tĩnh lên cầu có xét tới hệ số xung kích Bê tơng cốt thép giả thiết dính bám hoàn toàn Ý nghĩa khoa học thực tiễn luận án Xây dựng liệu đặc trưng nứt bê tông Xây dựng mô hình tính tốn có kiểm chứng thực nghiệm để phân tích ứng xử nứt mặt cầu Xây dựng mơ hình thí nghiệm phù hợp để phân tích ứng xử nứt mặt cầu tương tự với thực tế từ thực thí nghiệm phân tích ứng xử nứt BMC Kiến nghị mơ hình dải tương đương tính theo kết cấu dạng dựa kết mô số Phân tích hiệu gia cố FRP đến hiệu chống nứt thực nghiệm Đánh giá giải pháp cấu tạo mặt cầu BTCT kết cấu nhịp dầm I sử dụng phổ biến Việt Nam chịu tải trọng xe tải Khảo sát tham số cấu tạo mặt cầu BTCT dạng dầm đề xuất giải pháp thiết kế chống nứt CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ NỨT BẢN MẶT CẦU BÊ TÔNG CỐT THÉP VÀ VẤN ĐỀ XE QUÁ TẢI Ở VIỆT NAM 1.1 Kết cấu mặt cầu bê tông cốt thép dạng dầm Bản mặt cầu phận tham gia chịu lực tổng thể, chịu lực cục tải trọng trục, che chắn bảo vệ kết cấu bên góp phần phân phối hoạt tải theo phương ngang cầu Kết cấu mặt cầu bê tông cốt thép dạng dầm sử dụng phổ biến kết cấu nhịp giản đơn dầm I, dầm T, dầm super T, dầm chữ  Cấu tạo mặt cầu phụ thuộc vào nhiều yếu tố loại dầm đỡ, khoảng cách dầm, cường độ vật liệu, tải trọng thiết kế, tiêu chuẩn thiết kế, yếu tố khác Bản mặt cầu làm việc theo sơ đồ hẫng, kê cạnh kê cạnh [2] Kết cấu Bản BMC BTCT dạng dầm thường tính theo sơ đồ kê cạnh với phương làm việc phương ngang cầu Đối với cầu thiết kế theo tiêu chuẩn 22TCN 272-05 TCVN 11823:2017 từ năm 2005 trở lại đây, BMC BTCT nhịp giản đơn có chiều dày tối thiểu 175 mm Bản mặt cầu có chiều dày phổ biến 175 mm  220 mm phụ thuộc vào độ tính tốn bản, tải trọng thiết kế loại dầm đỡ Trong số cơng trình cầu có chiều dày mặt cầu thay đổi để tạo độ dốc ngang cầu chiều dày mặt cầu lên tới 300 mm vị trí dày Đối với cầu thiết kế theo tiêu chuẩn 22TCN 18-79 khơng có quy định chiều dày tối thiểu mặt cầu, nhiều cầu có chiều dày BMC nhỏ 175 mm xây dựng Cốt thép chịu lực theo phương ngang có đường kính 12 mm  18 mm bố trí làm lớp Khi khoảng cách cách dầm/sườn dầm đỡ tăng lên làm tăng độ tính tốn BMC cần tăng cốt thép chịu lực Cốt thép theo phương dọc có đường kính 10 mm  12 mm bố trí làm lớp thường bố trí theo cấu tạo Về vật liệu, giới hạn chảy cốt thép 240 MPa  420 MPa, cường độ bê tơng (BT) 20 MPa  35 MPa có xu hướng tăng lên Bản mặt cầu BTCT liên hợp với dầm đỡ thông qua cốt đai hệ neo [8] Ở Việt Nam, tình trạng tải phương tiện giao thông tương đối phổ biến [1, 5] Xe tải trọng phương tiện giao thông giới đường có tổng trọng lượng xe có tải trọng trục xe vượt tải trọng khai thác đường Nguyên nhân tải q trình cơng nghiệp hóa diễn nhanh chóng mà hạ tầng giao thông chưa đáp ứng kịp, ý thức chấp hành luật lệ giao thông chưa cao, nhu cầu vận chuyển số loại máy móc, thiết bị đặc biệt Hình 1: Mật độ phân bố tải trọng trục xe trục tải [1] Do yếu tố bất lợi môi trường điều kiện khai thác nên tượng nứt mặt cầu bê tông Việt Nam xe tải xảy Công tác sửa chữa cầu có mặt cầu diễn thường xuyên nhiều trường hợp phải thay mặt cầu Hình 2: Các vết nứt đáy mặt cầu - Cầu Bà Triên Km 1482+474 QL1 1.2 Nứt kết cấu bê tông cốt thép tải trọng 1.2.1 Nguyên nhân gây nứt kết cấu bê tông cốt thép vượt tải Do khả chịu kéo bê tông nhỏ nên, khu vực có ứng suất kéo lớn, bê tơng bị nứt lực kéo kết cấu bê tông cốt thép cốt thép chịu Khi mặt cầu BTCT chịu tải trọng xe lớn so với khả chịu lực, lúc vết nứt xuất vị trí có ứng suất lớn vị trí chịu lực xung kích lớn, tập trung ứng suất Đới với cấu kiện BTCT nói chung, tác dụng tải trọng vết nứt hình thành phát triển theo giai đoạn: − Giai đoạn 1: Vết nứt hình thành mắt thường chưa nhìn thấy Trong đoạn cấu kiện khơng có thay đổi nội lực tiết diện, vết nứt hình thành vị trí chất lượng bê tông Khi bề rộng vết nứt nhỏ − Giai đoạn 2: Vết nứt mở rộng mắt thường nhìn thấy − Giai đoạn 3: Vết nứt mở rộng tới trị số tới hạn, lức vết nứt có xu hướng phân bố đoạn cấu kiện Khi chịu tải trọng tập trung bánh xe, mặt cầu BTCT dạng dầm có hiệu ứng vịm Hình Màng nén bê tông cốt thép xảy khác biệt lớn cường độ kéo nén bê tông Sự nứt vỡ bê tông gây dịch chuyển trục trung hòa, kèm với giãn nở mặt phẳng ranh giới Nếu xu hướng mở rộng bị kiềm chế hai chiều, phát triển hiệu ứng vòm tăng cường khả chịu lực mặt cầu Trạng thái cân mặt cắt trì vịng đai kéo xung quanh trường nén thể Hình Hình 4: Hiệu ứng vịm mặt cầu bê tơng [14] Hình 5: Vịng đai kéo xung quanh trường nén [14] 1.2.2 Tính tốn độ mở rộng vết nứt Vết nứt cấu kiện bê tông cốt thép xuất ứng suất kéo lớn đạt đến cường độ chịu kéo Tại nơi có vết nứt, ứng suất cốt thép tăng lên nhiều Sự thay đổi ứng suất tỷ lệ thuận với cường độ chịu kéo bê tông tỷ lệ nghịch với hàm lượng cốt thép Bề rộng vết nứt xác định phụ thuộc chủ yếu vào độ chênh lệch biến dạng theo phương dọc cốt thép bê tông xung quanh Gergely Lutz (1968) đưa cơng thức tính bề rộng vết nứt tối đa vùng chịu kéo cấu kiện chịu uốn sau [15]: w max = 2, 2s d c A (1 1) Trong đó: wmax bề rộng vết nứt lớn nhất,  = (h-c)/(d-c) hệ số xét đến biến thiên biến dạng theo chiều cao mặt cắt h chiều cao mặt cắt, d chiều cao có hiệu c chiều cao vùng bê tông chịu nén Thông thường,  = 1,2, dc chiều dày lớp bê tông bảo vệ tính đến trọng tâm lớp cốt thép thứ nhất, s biến dạng lớn cốt thép tải trọng sử dụng sinh ra, thường lấy 0,6y với kết cấu thơng thường khơng tính toán cụ thể, A= A c,eff  bc diện tích vùng bê tơng chịu kéo chia cho số lượng cốt thép vùng chịu kéo Ac,eff , xác định vùng diện tích bê tơng có trọng tâm trùng với trọng tâm cốt thép chịu kéo c số lượng cốt thép chịu kéo quy đổi 1.2.3 Độ mở rộng vết nứt cho phép Vết nứt gây tác hại cấu kiện BTCT nên cần phải hạn chế Để hạn chế bề rộng vết nứt cấu kiện BTCT thường, ta bố trí cốt théo dọc chịu kéo vào vùng bê tông chịu kéo lớn Chiều rộng vết nứt phụ thuộc vào ứng suất kéo cốt thép cách bố trí cốt thép vùng bê tơng chịu kéo Bề rộng vết nứt cho phép lớn cấu kiện phụ thuộc vào chức cấu kiện điều kiện mơi trường tiếp xúc xung quanh Bảng 1 đưa giá trị bề rộng vết nứt cho phép kết cấu bê tông điều kiện môi trường khác quy định Tiêu chuẩn ACI 318-05 [12] Trong trường hợp kết tính tốn khơng thỏa mãn cần phải sử dụng nhiều cốt thép đường kính nhỏ tăng diện tích cốt thép cần thiết Bảng 1: Bề rộng vết nứt cho phép theo ACI 318-05 Điều kiện mơi trường Khơ có màng bảo vệ Ẩm, khí đất ẩm Các hóa chất làm tan bãng Nuớc biển bụi nuớc biển; làm uớt làm khô Kết cấu chắn nuớc (trừ ống không áp) Bề rộng vết nứt cho phép (mm) 0,41 0,30 0,18 0,15 0,10 1.3 Tình hình nghiên cứu nứt mặt cầu bê tông cốt thép tải trọng xe giới Việt Nam 1.3.1 Tình hình nghiên cứu giới Năm 1996, Michael F Petrou cộng tiến hành nghiên cứu thực nghiệm tiến hành mơ hình cầu dầm thép liên hợp có tỷ lệ 1/6.6 [18] Kết cho biết kết tương quan mô hình mặt cầu từ sơ đồ phức tạp bám sát thực tế sơ đồ tối giản hóa sơ đồ dải tương đương việc tính tốn đơn giản Hạn chế nghiên cứu sử dụng mơ hình thu nhỏ có độ xác khơng cao tải trọng tác dụng chưa phản ánh hoạt tải xe tác dụng lên cầu Năm 2014, Baah đưa kết nghiên cứu «ứng xử nứt kết cấu cầu BTCT» luận án tiến sĩ [10] Luận án trình bày chi tiết điều tra thực nghiệm ứng xử nứt kết cấu bê tông Năm 2016, Fareed Elgabbas cộng tiến hành dự án nghiên cứu điều tra ứng xử mặt cầu bê tông hạn chế cạnh gia cố BFRP (basalt-fiber-reinforced-polymer) [13] 1.3.2 Tình hình nghiên cứu nước Ở Việt Nam, kết nghiên cứu nứt bê tơng cốt thép nói chung cịn tương đối hạn chế Các nghiên cứu tiêu biểu nứt bê tơng nói chung, sau: Trịnh Văn Tồn (2010) trình bày luận án tiến sĩ kết phân tích, đánh giá hư hỏng mặt cầu phận kết cấu nhịp xe tải nặng dựa lý thuyết mỏi [5] Nguyễn Lan (2014) nghiên cứu đánh giá xác định tải trọng cho phép qua cầu sở kết kiểm định cầu [1] Các kết nghiên cứu khác liên quan đến đề tài Trần Đức Nhiệm (2004) [3], Tống Trần Tùng (2005, 2014) [8, 9], Doãn Minh Tâm (2005) [4] Các nghiên cứu trình bày vấn đề tình trạng xe tải, xác định tải trọng cắm biển, hư hỏng cho hệ thống cầu đường thiệt hại kinh tế xe tải, khổ gây 1.4 Kết luận Chương Bản mặt cầu nơi trực tiếp chịu tác động tải trọng xe khai thác qua áp lực bánh xe, mặt cầu bê tông cốt thép, thế, phận kết cấu cầu dễ bị thường xuất dạng hư hỏng khác nhau, mà phổ biến nứt Khi mặt cầu bị nứt, lại tiếp tục phải chịu tải trạng thái khơng tồn vẹn, vết nứt tiếp tục phát triển, lan truyền mở rộng, dẫn đến tình trạng hư hỏng nặng hơn, giảm tuổi thọ, làm tổn thất chất lượng khả khai thác cơng trình Tình trạng nghiêm trọng để xảy tình trạng xe tải khơng kiểm sốt hiệu Các nghiên cứu vết nứt cho cơng trình cầu giới Việt Nam chủ yếu cho dầm cầu Các nghiên cứu nứt mặt cầu bê tông không nhiều tập trung chủ yếu vào nguyên nhân co ngót, ăn mịn Nứt mặt cầu xe tải xem xét nguyên nhân gây nứt ban đầu Chưa có nghiên cứu chuyên sâu chế hình thành, lan truyền vết nứt xe tải cách đầy đủ Cần làm rõ chế xuất hiện, lan truyền mở rộng vết nứt BTCT mặt cầu tải trọng nói chung xe q tải có sở để hồn thiện thêm giải pháp kết cấu mặt kiểm soát tải trọng xe thực tiễn khai thác cầu CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TỐN BẢN MẶT CẦU BÊ TÔNG CỐT THÉP CHỊU TÁC DỤNG TĨNH CỦA TẢİ TRỌNG XE 2.1 Các mơ hình ứng xử bê tông cốt thép Bê tông cốt thép hai vật liệu cấu thành dạng kết cấu chủ yếu bê tông cốt thép bê tông cốt thép dự ứng lực Để mô số phận kết cấu dạng địi hỏi phải giải vấn đề mơ hình hố: Mơ hình vật liệu bê tơng, mơ hình ứng xử thép mơ hình tương tác bê tông cốt thép [21, 23] 2.1.1.1 Ứng xử bê tông Luật ứng xử hỗn hợp nhiều tác giá phát triển năm gần với mục đích xét hết tất thuộc tính vật liệu bê tơng gồm tính bất đối xứng, tính dịn, tính phi đàn hồi, tính cố nén tính bất đẳng hướng, theo đó, tính dịn tính dẻo xem xét để có mơ hình sát với kết quan sát thực nghiệm, hai phần kết hợp gồm: kết hợp trạng thái đàn hồi-dịn kết hợp động học dịn-dẻo Hình 1: Luật ứng xử hỗn hợp đàn hồi - dòn - dẻo 2.1.2 Các mơ hình ứng xử cốt thép Ứng xử cốt thép thường lấy theo luật đàn dẻo tuyệt đối Khi cần độ xác cao dùng luật đàn dẻo có củng cố đẳng hướng sử dụng luật đàn dẻo có củng cố động Hình 2: Mơ hình đàn hồi dẻo có củng cố 11 nghiên cứu dùng lý thuyết kết hợp nhằm phân tích cách tồn vẹn ứng xử bê tơng từ ban đầu đến bị phá hủy hoàn toàn 2.2.2 Ứng xử bê tơng theo mơ hình rạn nứt Mơ hình đường nứt phân tán (Mơ hình nứt liên tục yếu) Hình 6: Biểu diễn vùng phát triển nứt mơ hình nứt phân tán Tính khơng liên tục xét đến chuyển vị mơ hình Điển hình cho nhóm mơ hình mơ hình dải nứt CBM (Crack Band Model) đề nghị Bazant & al (1983) giả thiết tồn dải nứt không liên tục song song có chiều dày h  3dmax (dmax đường kính lớn hạt cốt liệu) [33] Bazant Oh đề nghị mơ hình dải nứt CBM dựa giả thiết tồn dải vết nứt có bề rộng wt xung quanh đầu chóp vết nứt ban đầu Dải nứt xuất từ nhiều vết nứt nhỏ Giả thiết hoàn toàn phù hợp sở cấu tạo bê tông vật liệu không đồng Các f tác giả cho có phân bố biến dạng  dải băng nứt 2.3 Áp dụng phương pháp số học phá hủy Ngày nay, nhiều phương pháp số phát triển để giải toán học phá hủy phương pháp phần tử hữu hạn, phương pháp phần tử biên, phương pháp phần tử hữu hạn mở rộng, phương pháp phần tử hữu hạn kết hợp với phương pháp phần tử biên có hiệu chỉnh, phương pháp không lưới, … 2.4 Kết luận Chương Chương trình bày phương pháp số học phá hủy áp dụng vào kết cấu BTCT nói chung, mơ hình ứng xử bê tơng cốt thép; xác định mơ hình phù hợp cho phân tích tính tốn phi tuyến nứt kết cấu BTCT Trong đề tài này, tác giả lựa chọn mơ hình đường nứt phân tán (Mơ hình nứt liên tục yếu) cho phân tích nứt mặt cầu BTCT Đối với bê tơng, ngồi tiêu lý thơng thường mơ hình phân tích tuyến tính, cần xác định đặc trưng phá hủy bê tông để đáp ứng thơng số đầu vào cho mơ hình phân tích phi tuyến nứt 12 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH MỘT SỐ TÍNH CHẤT CƠ HỌC, ĐẶC TÍNH PHÁ HỦY CỦA BÊ TƠNG VÀ ỨNG XỬ CƠ HỌC CỦA BẢN MẶT CẦU BÊ TÔNG CỐT THÉP 3.1 Thí nghiệm xác định tiêu lý vật liệu Mục đích thí nghiệm: Thí nghiệm vật liệu để xác định tiêu lý cho cấp bê tông sử dụng xây dựng cầu, bổ sung số liệu tiêu lý thông thường tiêu lý nứt bê tông Xác định thông số đầu vào vật liệu bê tông mô số Thí nghiệm xác định đặc trưng nứt Các đặc trưng nứt bê tông cần xác định bao gồm cường độ ứng suất giới hạn KC, lượng nứt giới hạn GC, lượng nứt toàn phần GF, lượng nứt khơng tồn phần Gf [2] Các mẫu thí nghiệm hình trụ kích thước 15 x 30 (cm) dùng để xác định cường độ chịu nén bê tơng f’c Các mẫu thí nghiệm dạng dầm ngun kích thước 15 x 15 x 60 (cm) chịu uốn dùng để xác định cường độ chịu kéo cuả bê tơng f’t Các mẫu thí nghiệm dạng dầm mảnh có nứt mồi dùng để xác định tham số nứt bê tơng Tổng số mẫu dầm thí nghiệm x x =16 mẫu Hình 1: Thí nghiệm uốn điểm mẫu dầm có vết nứt mồi Các giá trị lượng nứt toàn phần GF suy từ Gf công thức xấp xỉ GF = 2,5Gf [11] Kết tính tốn: Gf = 148,75J/m2 GF = 371,87J/m2 3.2 Thí nghiệm kết cấu dầm T tác dụng tải trọng tĩnh - Thí nghiệm Mục đích thí nghiệm: Thí nghiệm mơ hình mặt cầu BTCT với kích thước lớn tương tự với thực tế để xác định ứng xử học mặt cầu BTCT dạng liên hợp với dầm tác dụng tải trọng tập trung mô theo tải trọng bánh xe Làm sở để kiểm tra độ xác kết mơ số 3.2.1 Bố trí thí nghiệm 13 Hình 2: Bố trí thí nghiệm kết cấu dầm T - Thí nghiệm Q trình thí nghiệm kết cấu dầm T: Gia tải từ theo cấp tải Tấn mẫu bị phá hoại 3.2.2 Kết thí nghiệm 3.2.2.1 Kết đo độ mở rộng vết nứt phân bố nứt Hình 3: Phát triển độ rộng vết nứt đáy theo tải trọng Hình 4: Phân bố nứt đáy - Thí nghiệm Nứt cạnh bên - Hướng nhìn 14 Nứt cạnh bên - Hướng nhìn Nứt cạnh bên - Hướng nhìn Nứt cạnh bên - Hướng nhìn Hình 5: Phân bố nứt độ rộng vết nứt mặt bên 3.2.2.2 Kết đo võng Sơ đồ bố trí điểm đo võng Hình 6: 1250 575 V5 V4 575 VỊ TRÍ ĐẶT TẢI V3 1250 575 V6 V7 325 575 V2 V1 Hình 6: Sơ đồ bố trí điểm đo võng kết đo - Thí nghiệm 3.3 Thí nghiệm kết cấu dầm T bị hư hỏng nặng sửa chữa dán vải sợi FRP tác dụng tải trọng tĩnh - Thí nghiệm Mục đích thí nghiệm: Xác định ứng xử học mặt cầu BTCT dạng liên hợp với dầm gia cố sau hư hỏng nặng tác dụng tải trọng tập trung mô theo tải trọng bánh xe Phân tích đánh giá hiệu giải pháp gia cường BMC dán vải sợi FRP 15 3.3.1 Bố trí thí nghiệm Hình 8: Phương án gia cố FRP bố trí thí nghiệm mặt cầu BTCT Thí nghiệm 3.3.2 Kết thí nghiệm Hình 23: Phân bố nứt độ rộng vết nứt mặt bên - Thí nghiệm Hình 26: So sánh độ võng đáy đường tim dọc kết cấu ban đầu sau sửa chữa ứng với cấp tải trọng 3.4 Thí nghiệm kê cạnh tác dụng tải trọng tĩnh - Thí nghiệm Mục đích thí nghiệm: Thí nghiệm mơ hình mặt cầu BTCT với kích thước lớn tương tự với thực tế để xác định ứng xử học mặt cầu 16 BTCT dạng không liên hợp với dầm hay xoay tự với dầm tác dụng tải trọng tập trung mơ theo tải trọng bánh xe 3.4.1 Bố trí thí nghiệm Hình 8: Tiến hành thí nghiệm mặt cầu BTCT - Thí nghiệm 3.4.2 Kết thí nghiệm Hình 9: Phân bố vết nứt đáy sau kết thúc thí nghiệm CHƯƠNG NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG SỐ ỨNG XỬ CỦA BẢN MẶT CẦU BÊ TÔNG CỐT THÉP ĐỔ TẠI CHỖ DO TẢI TRỌNG TẬP TRUNG 4.1 So sánh kết mơ với kết thí nghiệm ứng xử nứt phi tuyến Mô kết cấu theo sơ đồ 3D với kích thước thực mơ hình thí nghiệm 1-Mơ hình 3D kết phân tích kết cấu dầm T ANSYS 17 2-Mơ hình 3D kết phân tích kết cấu dầm T MIDAS FEA Hình 1: Mơ hình 3D kết phân tích nứt kết cấu dầm T Hình 2: Mơ hình 3D thí nghiệm kê cạnh ANSYS So sánh kết phân tích phi tuyến nứt với kết thí nghiệm mơ hình kết cấu dầm T kê cạnh chịu tải trọng tĩnh Hình 3: So sánh độ võng (V3) kết mơ số thí nghiệm Đường cong độ võng mô số bám sát với đường cong thực nghiệm Kết đo vẽ phân bố nứt thí nghiệm mơ trình bày Hình 4 Hình 5: 18 1-Kết thí nghiệm 2-Kết tính ANSYS Hình 4: So sánh phân bố nứt kết mơ số ANSYS với kết thí nghiệm mơ hình kết cấu dầm T 1-Kết thí nghiệm 2-Kết tính MIDAS FEA Hình 5: So sánh phân bố nứt kết mô số MIDAS FEA với kết thí nghiệm mơ hình kết cấu dầm T Trong luận án sử dụng đồng thời phần mềm ANSYS MIDAS FEA phù hợp với toán cụ thể cần phân tích 4.2 Phân tích kết cấu nhịp dầm T chịu tác dụng tĩnh xe tải nặng 4.2.1 Mơ hình phân tích 1350 250kN 175kn 8700 150 1900 250 625 625 658 1250 398 625 250 4500 1250 250 625 150 3300 250kN 4500 4500 Hình 6: Sơ đồ xếp xe tải trục kết cấu nhịp 19 4.2.2 Kết phân tích kết cấu nhịp chịu tác dụng tĩnh xe Hình 7: Phân bố ứng suất đáy mặt cầu với cấp tải trọng trục Hình 8: Phân bố nứt cấp tải trọng trục 25 Dưới tác dụng xe tải nặng có trục 25 tấn, KCN nứt BMC, dầm dọc, dầm ngang Độ võng, ứng suất cốt thép độ mở rộng vết nứt BMC nằm giới hạn cho phép 4.3 Xác định sơ đồ dải mặt cầu tương đương chịu tải trọng xe tải nặng Các mơ hình 3D dải BTCT khảo sát chịu tác dụng tải trọng bánh xe Hình So sánh kết mơ hình khảo sát với mơ hình 3D kết cấu nhịp Mục 4.2 để xác định mơ hình dải tương đương Hình 9: Mơ hình dải chịu tác dụng tải trọng bánh xe 20 Hình 10: Phân bố ứng suất đáy - Phân tích tuyến tính Khi sườn dầm dầm đỡ có độ cứng chống uốn lớn kết hợp với dầm ngang, dải tương đương dải có hai cạnh ngàm theo phương dọc cầu hai cạnh tự theo phương ngang cầu, chiều dày bản, chi tiết cốt thép giữ nguyên theo cấu tạo Khẩu độ tính tốn tính theo cơng thức Stt = S - tw/2, đó, S khoảng cách tim sườn dầm/dầm dọc, tw chiều dày sườn dầm/dầm dọc Bề rộng dải lấy theo tiêu chuẩn thiết kế cầu TCVN 11823:2017 4.4 Ứng xử học mặt cầu BTCT kết cấu nhịp dầm I BTCT DƯL chịu tác dụng tĩnh tải trọng xe 4.4.1 Mơ hình phân tích Bảng 1: Thơng số cấu tạo mặt cầu dầm I BTCT DƯL điển hình Loại kết cấu nhịp Loại 1: I12.5m căng trước Loại 2: I33m căng trước Loại 3: I25.7m căng sau Tải trọng thiết kế S (mm) bw (mm) ts (mm) HL93 1500 140 175 HL93 1750 160 180 HL93 2400 200 200 Cốt thép ngang D14 a=0,15m D14 a=0,15m D12 a=0,1m Cốt thép dọc D10 a=0,2m D10 a=0,2m D10 a=0,2m Stt E (mm) (mm) 1430 1485 1670 1623 2300 1980 Ghi chú: S-khoảng cách tim dầm dọc; bw-chiều dày sườn dầm; tschiều dày mặt cầu; D-đường kính cốt thép; a-bước cốt thép; Stt - độ tính tốn dải tương đương; E - bề rộng dải tương đương 4.4.2 Kết tính tốn Hình 11: Độ võng lớn mặt cầu theo cấp tải 21 Loại Loại Loại Hình 12: Phân bố vết nứt ứng với cấp tải trọng trục 25 Độ võng, ứng suất cốt thép, độ mở rộng vết nứt mơ hình khảo sát nằm giới hạn cho phép Vết nứt tập trụng vùng đặt tải 4.5 Nghiên cứu tham số ảnh hưởng đến ứng xử học mặt cầu BTCT dạng dầm chịu tác dụng tĩnh tải trọng xe 4.5.1 Khảo sát tham số vật liệu Hình 13: Ứng xử học BMC BTCT theo cấp cường độ BT Khi cường độ bê tông tăng lên, vùng phân bố nứt đáy biên ngàm thu hẹp dần Ứng với cường độ chịu nén bê tông 50 MPa trở lên, đáy không xuất vết nứt đáy Độ võng, ứng suất cốt thép độ mở rộng vết nứt nhỏ nhiều so với giới hạn cho phép với cấp cường độ thấp 20 MPa Hình 13 Giá trị ứng xử giảm nhanh cường độ bê tông tăng từ 20 MPa đến 45 MPa, sau giảm chậm lại, với cấp cường độ từ 55 MPa đến 70 MPa việc tăng thêm cường độ bê tông không đem lại thêm nhiều hiệu chống nứt 22 4.5.2 Khảo sát tham số chiều dày Hình 14: Ứng xử học BMC BTCT theo chiều dày Đường quan hệ ứng xử ứng suất cốt thép, độ võng, độ mở rộng cốt thép chiều dày chia làm nhánh, nhánh có độ dốc lớn ứng với chiều dày nhỏ 190 mm Tuy nhiên, khác biệt nhánh không rõ rệt giảm xấp xỉ theo quy luật tuyến tính chiều dày BMC BTCT tăng lên Vùng phân bố nứt, vết nứt lớn, ứng suất cốt thép, độ mở rộng vết nứt giảm nhanh tăng chiều dày BMC Việc tăng chiều dày đem lại hiệu chống nứt cao 4.5.3 Khảo sát tham số cấu tạo cốt thép Bảng 2: Tổng hợp kết khảo sát ứng xử học BMC BTCT theo chiều dày fsmax (MPa) max (mm) wmax (mm) Mẫu 1, đường kính 10 mm, khoảng cách 75 mm 58,20 0,2875 0,0716 Mẫu 5, đường kính 18 mm, khoảng cách 245 mm 51,88 0,2792 0,0898 Mẫu khảo sát Phân bố nứt Ghi chú: fsmax - Ứng suất lớn cốt thép; max - Độ võng lớn nhất; wmax - Độ mở rộng vết nứt lớn 23 Việc thay đổi đường kính cốt thép giữ nguyên hàm lượng cốt thép không đem lại hiệu chống nứt đồng cho BMC Sử dụng cốt thép có đường kính nhỏ cho độ mở rộng vết nứt nhỏ vùng phân bố nứt rộng Đường kính cốt thép trung gian từ 12 đến 16 mm hạn chế vùng phân bố nứt cho độ võng nhỏ 4.5.4 Đề xuất giải pháp cấu tạo BMC BTCT dạng dầm chịu tác dụng xe tải nặng Bảng 3: Đề xuất cấu tạo BMC BTCT chịu tác dụng xe tải nặng Mẫu Khoảng Chiều Cường độ Đường kính - BMC đề xuất cách dầm dày bê tông chịu nén bước cốt thép (mm) (mm) (MPa) (mm) Mẫu 1250 175 35 12 - 150 Mẫu 1500 185 35 14 - 150 Mẫu 1750 195 40 14 - 150 Mẫu 2000 205 40 14 - 150 Mẫu 2250 205 45 16 - 150 Mẫu 2500 210 45 16 - 150 Mẫu 2750 215 50 18 - 150 Mẫu 3000 220 50 18 - 150 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO Kết luận Đóng góp luận án: Cung cấp số liệu đặc tính học cường độ chịu nén, cường độ chịu kéo, lượng nứt, độ bền nứt giới hạn bê tông, … sử dụng cơng trình cầu, cần thiết cho tính tốn mơ ứng xử kết cấu cầu phần mềm tính tốn Xây dựng số mơ hình thí nghiệm phù hợp để phân tích ứng xử học mặt cầu BTCT tương tự BMC dạng dầm thực tế tác dụng tĩnh tải trọng xe tiến hành thí nghiệm Cung cấp liệu q trình hình thành phát triển vết nứt, độ võng, độ mở rộng vết nứt kết cấu BMC tác dụng tải trọng hiệu việc gia cường bê tông cốt thép nứt vật liệu FRP 24 Xây dựng mơ hình tính có so sánh với thực nghiệm để phân tích ứng xử học kết cấu mặt cầu BTCT dạng dầm tác dụng tải trọng tĩnh Đã phân tích, đánh giá ứng xử học KCN dầm T tác dụng tĩnh tải trọng xe Đề xuất mơ hình dải tương đương để tính tốn, thiết kế mặt cầu bê tơng cốt thép Trên sở đó, phân tích, đánh giá ứng xử mặt cầu BTCT kết cấu nhịp dầm I BTCT DƯL, đề xuất cấu tạo mặt cầu BTCT dạng dầm hợp lý dựa kết phân tích tham số (cấp bê tơng BMC, chiều dày BMC, bố trí cốt thép BMC) theo yêu cầu kiềm chế nứt tác động xe tải Hướng nghiên cứu Nghiên cứu ứng xử học mặt cầu tác dụng tải trọng động Nghiên cứu ứng xử học mặt cầu cơng trình qua sử dụng xét tới thay đổi tính chất vật liệu, suy giảm tiết diện chịu lực cốt thép, suy giảm dính bám cốt thép bê tông Nghiên cứu phát triển vết nứt mỏi tác dụng tải trọng lặp có xét đến tải trọng lưu lượng ngẫu nhiên Nghiên cứu ứng xử học kết cấu mặt cầu sử dụng bê tông cường độ cao siêu cao tác dụng tải trọng xe Nghiên cứu kết hợp phương pháp phần tử hữu hạn trí thơng minh nhân tạo phân tích ứng xử học kết cấu mặt cầu nói riêng kết cấu nhịp nói chung Nghiên cứu ứng xử nứt mặt cầu bê tông cốt thép tác động qua lại tải trọng yếu tố ăn mòn, nhiệt độ DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA TÁC GIẢ Nguyễn Đức Hiếu, Phạm Văn Hùng, Trần Thế Truyền (2017), Mô ứng xử học mặt cầu bê tông cốt thép chịu tác động xe q tải, Tuyển tập cơng trình khoa học Hội nghị Cơ học toàn quốc lần thứ X, trang 351-358 Nguyễn Đức Hiếu (2018), Xác định nguyên nhân giải pháp khắc phục vết nứt dọc cầu rộng bê tông cốt thép dự ứng lực đổ chỗ, Tuyển tập cơng trình Hội nghị Khoa học toàn quốc Cơ học Vật rắn lần thứ XIV, trang 244-251 Nguyen Duc Hieu, Tran The Truyen, Bui Thanh Tung (2018), “Fracture analysis of reinforced concrete bridge deck under overload vehicles”, Tạp chí Giao thơng Vận tải, 2018 International Conference on Sustainability in Civil Engineering, trang 345-350 Nguyễn Đức Hiếu, Ngô Châu Phương (2018), Bước đầu đánh giá thực trạng nứt kết cấu nhịp cầu xe tải khu vực phía Nam đề xuất giải pháp khắc phục, Tuyển tập báo cáo khoa học Hội nghị Khoa học công nghệ lần thứ XXI Trường Đại học Giao thông vận tải Phân hiệu Thành phố Hồ Chí Minh, trang 178-188 Nguyễn Đức Hiếu, Ngô Châu Phương, Trần Thế Truyền (2019), “Phân tích ứng xử mặt cầu dầm I bê tông cốt thép tác dụng xe q tải”, Tạp chí Giao thơng Vận tải, Số 3/2019, trang 34-38 Nguyen Duc Hieu, Tran The Truyen, Bui Thanh Tung, Doan Bao Quoc (2019), Cracking analysis of reinforced concrete bridge deck subjected to overload vehicle, In: The 5th International Conference on Engineering Mechanics and Automation, pp 161-168 Nguyễn Đức Hiếu, Trần Thế Truyền (2020), “Ảnh hưởng tải trọng xe tải đến phân bố vùng nứt kết cấu nhịp cầu bê tông cốt thép”, Tạp chí Giao thơng Vận tải, Số 5/2020, trang 43-46 Duc Hieu Nguyen, The Truyen Tran, Thanh Tung Bui, Minh Cuong Le, Ngoc Trinh Vu (2021), Analysis of crack characteristics of reinforced concrete bridge deck under the effect of static wheel load, In: CIGOS 2021, Emerging Technologies and Applications for Green Infrastructure Springer, Singapore, pp 69-77 ... pháp kết cấu mặt kiểm soát tải trọng xe thực tiễn khai thác cầu Do đó, việc chọn đề tài nghiên cứu “ Nghiên cứu ứng xử học kết cấu mặt cầu bê tông cốt thép dạng dầm chịu tác dụng tĩnh tải trọng xe. .. CỐT THÉP CHỊU TÁC DỤNG TĨNH CỦA TẢİ TRỌNG XE 2.1 Các mơ hình ứng xử bê tơng cốt thép Bê tông cốt thép hai vật liệu cấu thành dạng kết cấu chủ yếu bê tông cốt thép bê tông cốt thép dự ứng lực Để... BMC, bố trí cốt thép BMC) theo yêu cầu kiềm chế nứt tác động xe tải Hướng nghiên cứu Nghiên cứu ứng xử học mặt cầu tác dụng tải trọng động Nghiên cứu ứng xử học mặt cầu cơng trình qua sử dụng xét