Nghiên cứu sự lan truyền vết nứt trong bản mặt cầu bê tông cốt thép đổ tại chỗ do xe quá tải đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI BÁO CÁO ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG Tên đề tài: NGHIÊN CỨU SỰ LAN TRUYỀN VẾT NỨT TRONG BẢN MẶT CẦU BÊ TÔNG CỐT THÉP ĐỔ TẠI CHỖ DO XE QUÁ TẢI Mã số: T2018 – PHII – 006 Chủ nhiệm: ThS Nguyễn Đức Hiếu Thời gian thực hiện: 01/01/2018 đến 31/3/2019 Ngày viết báo cáo: 01/01/2018 TP Hồ Chí Minh, tháng năm 2019 MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ẢNH iii DANH MỤC BẢNG vi DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT, KÝ HIỆU vii PHẦN MỞ DẦU I Tính cấp thiết đề tài II Mục tiêu nghiên cứu đề tài III Đối tượng phạm vi nghiên cứu IV Phương pháp nghiên cứu V Kết cấu đề tài CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÌNH TRẠNG SỬ DỤNG VÀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VỀ NỨT BẢN MẶT CẦU BÊ TƠNG CỐT THÉP ĐỔ TẠI CHỖ 1.1 Tình hình sử dụng mặt cầu bê tơng cốt thép đổ chỗ 1.2 Thực trạng nứt mặt cầu bê tông cốt thép đổ chỗ cho cầu dầm I giản đơn tuyến đường trục có quy mơ giao thơng lớn khu vực thành phố Hồ Chí Minh 1.2.1 Cầu Kênh Đào 1.2.2 Cầu Cái Trung 1.2.3 Nhận xét 1.3 Nguyên nhân gây nứt mặt cầu bê tông cốt thép đổ chỗ 1.3.1 Tổng quan nguyên nhân gây nứt mặt cầu bê tông cốt thép đổ chỗ 1.3.2 Nứt nhiệt thủy hóa xi măng 10 1.3.3 Nứt vấn đề thiết kế 11 1.3.4 Nứt tải trọng 11 1.3.5 Nứt mỏi 12 1.4 Vấn đề xe tải 14 1.4.1 Tải trọng xe theo tiêu chuẩn thiết kế Việt Nam 14 1.4.2 Tải trọng xe khai thác theo quy định pháp luật 17 1.4.3 Định nghĩa, khái niệm tải trọng xe xe tải 18 1.4.4 Xe tải Việt Nam 19 1.5 Tình hình nghiên cứu nứt mặt cầu bê tông giới việt nam24 1.5.1 Tình hình nghiên cứu giới 24 1.5.2 Tình hình nghiên cứu nước 33 1.5.3 Tóm tắt tổng quan nghiên cứu 34 1.6 Hướng nghiên cứu đề tài 35 i CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU LẬP TRÌNH MƠ PHỎNG SỐ SỰ LAN TRUYỀN VẾT NỨT TRONG BẢN MẶT CẦU BE TONG CỐT THEP DỔ TẠI CHỖ 36 2.1 Cơ sở lý thuyết học phá hủy rạn nứt bê tông để xây dựng mơ hình phi tuyến cho lan truyền vết nứt mặt cầu bê tông cốt thép đổ chỗ chịu tải trọng xe ôtô tải 36 2.1.1 Một vài thông số quan trọng lĩnh vực học phá hủy 36 2.1.2 Trường ứng suất chuyển vị gần đỉnh vết nứt vật liệu đẳng hướng43 2.1.3 Tiêu chuẩn phá hủy theo lý thuyết lượng 47 2.1.4 Biểu diễn học phá hủy 48 2.1.5 Ứng xử bê tông bị phá hủy rạn nứt 52 2.2 Phương pháp mô số lan truyền vết nứt mặt cầu bê tông cốt thép đổ chỗ xe tải 53 2.2.1 Phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method-FEM) 53 2.2.2 Phương pháp phần tử hữu hạn mở rộng (Extended Finite Method-XFEM)55 2.3 Lập trình mơ số lan truyền vết nứt mặt cầu bê tông cốt thép đổ chỗ chịu tải trọng xe ôtô tải 56 CHƯƠNG 3: ÁP DỤNG MÔ PHỎNG SỐ SỰ LAN TRUYỀN VẾT NỨT TRONG BẢN MẶT CẦU BÊ TÔNG CỐT THÉP ĐỔ TẠI CHỖ CHO CẦU DẦM I GIẢN ĐƠN TRÊN TUYẾN ĐƯỜNG TRỤC CHÍNH CĨ QUY MƠ GIAO THƠNG LỚN Ở KHU VỰC THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH 59 3.1 PHÂN TÍCH PHI TUYẾN NỨT BẢN MẶT CẦU 59 3.1.1 Thông số cấu tạo sơ đồ tính 59 3.1.2 Mơ hình phi tuyến 61 3.1.3 Kết tính tốn 64 3.2 PHÂN TÍCH PHI TUYẾN NỨT BẢN MẶT CẦU TRONG KẾT CẤU NHỊP BÊ TÔNG CỐT THÉP 69 3.2.1 Kích thước kết cấu nhịp chi tiết cốt thép mặt cầu 69 3.2.2 Mơ hình phần tử 70 Mơ hình phần tử bê tơng: 70 3.2.3 Sơ đồ tính 71 3.2.4 Kết phân tích phi tuyến 73 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 80 TÀI LIỆU THAM KHẢO 81 ii DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1: Bố trí chung cầu Kênh Đào, huyện Chợ Mới, tỉnh An Giang Hình 1.2: Mặt cầu bong tróc lớp bê tông nhựa, lớp mui luyện Xe chạy không êm thuận gây tiếng ồn lớn (tại thời điểm khảo sát năm 2017) Hình 1.3: Bản mặt cầu bị hư hỏng nghiêm trọng phần lề người Bê tông bị bong, vỡ; cốt thép gỉ sét, đứt Bản mặt cầu bị thủng mảng lớn (tại thời điểm khảo sát năm 2017) Hình 1.4: Bản mặt cầu bị thấm nước qua khe nối dầm T thời điểm khảo sát năm 2017 Hình 1.5: Trắc dọc cầu Cái Trung 1, huyện Bình Chánh, Tp.HCM Hình 1.6: Mặt cắt ngang cầu Cái Trung 1, huyện Bình Chánh, Tp.HCM Hình 1.7: Đáy mặt cầu bị bong vỡ bê tông, cốt thép bị gỉ sét Nước thấm từ kết cấu nhịp xuống dầm đỡ (tại thời điểm khảo sát năm 2016) Hình 1.20: Sơ đồ nguyên nhân nứt bê tơng Hình 1.21: Nứt nhiệt 10 Hình 1.22: Sơ đồ nguyên nhân gây nứt thiết kế 11 Hình 1.23: Sơ đồ miêu tả giai đoạn phát triển vết nứt mỏi 13 Hình 1.8: Xe tải H10, H13, H18 14 Hình 1.9: Đồn xe H10, H13, H18 theo phương ngang cầu 14 Hình 1.10: Đồn xe H10, H13, H18 theo phương dọc cầu 14 Hình 1.11: Xe tải H30 15 Hình 1.12: Đoàn xe H30 theo phương ngang cầu 15 Hình 1.13: Xe X60 16 Hình 1.14: Xe tải thiết kế 16 Hình 1.15: Xe trục thiết kế 17 Hình 1.16: Tải trọng thiết kế 17 Hình 1.17: Một HOWO chân với chở đá nặng khoảng 60 tấn, toàn thân xe trĩu xuống vết lõm mặt đường QL12 22 Hình 1.18: Xe Dongfeng tải trọng lớn chạy đường giới hạn tải trọng 10 đoạn qua xã Hải Bối, Đông Anh, Hà Nội 23 Hình 1.19: Quốc lộ (Hà Nội - Hải Phòng) xuống cấp xe tải 24 Hình 1.24: Các vết nứt sơ cấp thứ cấp phận bê tông cốt thép chịu kéo (ACI-224.2R-92) 26 iii Hình 1.25: Các kiểu vết nứt bê tông cốt thép 27 Hình 2.1: Các mode nứt vật liệu 36 Hình 2.2: Vết nứt phẳng rộng vơ hạn 37 Hình 2.3: Biểu diễn trục tọa độ đỉnh vết nứt 37 Hình 2.4: Sự phân bố ứng suất y lân cận đỉnh vết nứt  = 38 Hình 2.5: Vật thể có khả biến dạng trạng thái cân 39 Hình 2.6: Vùng chảy dẻo chiều phía trước vết nứt 41 Hình 2.7: Độ mở rộng đỉnh vết nứt - CTOD 42 Hình 2.8: Tích phân biên J 43 Hình 2.9: Biểu diễn trục tọa độ đỉnh vết nứt 44 Hình 2.10: Định nghĩa phá hủy cấp độ vi mô – vĩ mơ (Lemaitre-1975) 48 Hình 2.11: Biểu diễn trạng thái phá hủy chiều 49 Hình 2.12: Vật liệu với ứng xử dẻo túy (a) kết hợp dẻo-phá hủy (b) 51 Hình 2.13: Luật ứng xử hỗn hợp: đàn hồi – dòn – dẻo 51 Hình 2.14: Các giai đoạn ứng xử bê tơng tác dụng tải trọng 52 Hình 2.15: Mơ hình kết cấu nhịp tính theo phương pháp PTHH 54 Hình 2.16: Sự lựa chọn nút làm giàu [17] 55 Hình 2.17: Mơ tả lan truyền vết nứt lưới phần tử hữu hạn [17] 56 Hình 2.18: Ví dụ xác định K cách sử dụng mẫu tiêu chuẩn (a) Kích thước mẫu thiết kế lưới X-FEM; (b) Ứng suất Von Mise biến dạng 56 Hình 2.19: Sơ đồ thuật tốn phân tích nứt phi tuyến 58 Hình 3.1: Mặt cắt ngang kết cấu nhịp dầm I 33m, khổ cầu 10.5m, khoảng cách dầm 1.75m, mặt cầu dày 18cm, tải trọng thiết kế HL93 60 Hình 3.2: Sơ đồ tính mặt cầu 61 Hình 3.3: Mơ hình phi tuyến tính mặt cầu phần mềm Midas FEA 61 Hình 3.4: Đặc trưng chịu kéo, nén bê tông 62 Hình 3.5: Các mơ hình phi tuyến bê tông chịu kéo 62 Hình 3.6: Mơ hình thép đàn hồi – dẻo – hố cứng 62 Hình 3.7: Phần tử khối bê tơng, kích thước trung bình 25x25x25(mm) 64 Hình 3.8: Phần tử cốt thép, chiều dài trung bình 50mm 64 Hình 3.9: Vùng biến dạng dẻo 66 iv Hình 3.10: Vùng biến dạng dẻo tải trọng trục 145kN 66 Hình 3.11: Phân bố vết nứt tải trọng trục 145kN 67 Hình 3.12: Vùng biến dạng dẻo tải trọng trục 214.5kN 67 Hình 3.13: Phân bố vết nứt tải trọng trục 214.5kN 68 Hình 3.14: Phân bố vết nứt đáy tải trọng trục 214.5kN 68 Hình 3.15: Độ võng, ứng suất cốt thép RC tải trọng trục 214.5kN xe tải 69 Hình 3.16: Cấu tạo chi tiết cốt thép kết cấu nhịp BTCT 70 Hình 3.17: Mơ hình phần tử BT 70 Hình 3.18: Mơ hình phần tử thép 71 Hình 3.19: Sơ đồ tính dải mặt cầu theo phương ngang cầu 71 Hình 3.20: Mơ hình khơng gian mặt cầu BTCT 71 Hình 3.21: Mơ hình hoạt tải bánh xe tác dụng mặt cầu kết cấu nhịp BTCT 72 Hình 3.22: Biểu đồ quan hệ chuyển vị đáy tải trọng trục xe 74 Hình 3.23: Biểu đồ quan hệ ứng suất cốt thép tải trọng trục xe 76 Hình 3.24: Phân bố vết nứt cấp tải trọng trục 18.53 77 Hình 3.25: Phân bố vết nứt cấp tải trọng trục 21.45 77 Hình 3.26: Phân bố vết nứt cấp tải trọng trục 42.90 79 v DANH MỤC BẢNG Bảng 1.2: Thống kê kiểu vết nứt Bảng 1.1: Số liệu xe tải điển hình [13] 20 Bảng 1.3: Các yếu tố thiết kế ảnh hưởng đến vết nứt mặt cầu có dầm đỡ 27 Bảng 1.4: Ảnh hưởng yếu tố ảnh hưởng đến nứt bê tơng mặt cầu có dầm đỡ (Krauss Rogalla 1996) 31 Bảng 2.1: Độ bền rạn nứt nứt vật liệu phổ biến 47 Bảng 3.1: BMC BTCT kết cấu nhịp dầm I BTCT DUL nhịp giản đơn 59 Bảng 3.2: Tính chất lý bê tơng [15] 63 Bảng 3.3: Mô hình vật liệu bê tơng, thép 63 Bảng 3.4: Ứng xử kết cấu tĩnh tải TTGHSD 64 Nhận xét: Kết tính ứng suất, độ võng tĩnh tải nhỏ Hiệu ứng tĩnh tải không đáng kể.Bảng 3.5: Độ võng, ứng suất bê tông, ứng suất cốt thép hoạt tải TTGHSD 64 Bảng 3.6: Kết tính độ võng kết cấu nhịp 73 Bảng 3.7: Kết tính ứng suất cốt thép 75 vi DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT, KÝ HIỆU BT=Bê tông BTCT=Bê tông cốt thép BTCT DUL=Bê tông cốt thép dự ứng lực PTHH=Phần tử hữu hạn KCN=Kết cấu nhịp BMC=Bản mặt cầu BMC BTCT=Reinforcement Concrete Bridge Deck SIF=Stress Intensity Factor CTOD =Crack tip opening displacement FEM=Finite Element Mothod XFEM= Extended Finite Method BEM=Boundary Element Method SBFEM= Scale Boundary Finite Element Method MFM= Mesh Free Method vii PHẦN MỞ DẦU I Tính cấp thiết đề tài Giải pháp mặt cầu bê tông cốt thép đổ chỗ sử dụng phổ biến công trình cầu Đây phận đóng vai trị quan trọng, 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 Các dạng hư hỏng chủ yếu mặt cầu thường gặp nứt, vỡ, bong tróc bê tơng, mài mịn Nứt mặt cầu dẫn đến nước chất ăn mòn khác thấm nhập vào bê tơng, ăn mịn cốt thép, gây bong tróc lớp bê tông, nước thấm xuống dầm đỡ Nếu không khắc phục kịp thời, vết nứt mở rộng, lan truyền, cốt thép bị rỉ làm suy giảm khả chịu lực Cuối dẫn đến xuống cấp, suy giảm tuổi thọ, giảm khả khai thác cơng trình cầu 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 q tải q trình cơng nghiệp hóa diễn nhanh chóng mà hạ tầng giao thơng 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 Do yếu tố bất lợi môi trường điều kiện khai thác nên tượng hư hỏng mặt cầu bê tông Việt Nam xảy tương đối phổ biến Cơng tác sửa chữa cầu có mặt cầu diễn thường xuyên nhiều trường hợp phải thay mặt cầu 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 chủ yếu nứt co ngót, mỏi, ăn mịn Nứt mặt cầu xe tải xem xét nguyên nhân gây nứt ban đầu Chưa có nghiên cứu chuyên sâu lan truyền vết nứt xe tải cách đầy đủ hoạt tải xe đặc biệt xe tải nguyên nhân làm cho vết nứt phát triển ảnh hưởng tới khả tuổi thọ khai thác cơng trình cầu Vì vậy, việc nghiên cứu đề tài “Nghiên cứu lan truyền vết nứt mặt cầu bê tông cốt thép đổ chỗ xe tải” thiết thực cần thiết II Mục tiêu nghiên cứu đề tài Nghiên cứu lan truyền vết nứt theo chiều dài, chiều sâu mặt cầu bê tông cốt thép đổ chỗ xe ôtô tải III Đối tượng phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: Bản mặt cầu bê tông cốt thép đổ chỗ chịu tải trọng xe ôtô tải Phạm vi nghiên cứu: - Các vết nứt lan truyền theo chiều dài, chiều sâu mặt cầu bê tông cốt thép đổ chỗ nguyên nhân xe ôtô tải; - Bản mặt cầu bê tơng cốt thép đổ chỗ có cấp bê tơng f’c≤40Mpa, chiều dài nhịp từ 1,7m-2,0m cho cầu dầm I giản đơn tuyến đường trục có quy mô giao thông lớn (xe tải nặng) khu vực thành phố Hồ Chí Minh; - Tải trọng xe ơtơ tải tác dụng lên mặt cầu xe có tải trọng trục, tổng tải trọng xe lớn so với tải trọng giới hạn cho phép từ 110% tới 175%; tải trọng giới hạn cho phép quy định tiêu chuẩn thiết kế cầu 22TCN 272-05 Thông tư 46/2015/TT-BGTVT ngày 07/9/2015 Bộ Giao thông vận tải Quy định tải trọng, khổ giới hạn đường bộ; lưu hành xe tải trọng; xe khổ giới hạn, xe bánh xích đường bộ; vận chuyển hàng siêu trường, siêu trọng; giới hạn xếp hàng hóa phương tiện giao thơng đường tham gia giao thông đường IV Phương pháp nghiên cứu Phương pháp điều tra: để thu thập, khảo sát, đánh giá thực trạng vết nứt mặt cầu bê tơng cốt thép đổ chỗ với tình trạng tải trọng xe ôtô tải từ trạm cân tự động cho cầu dầm I giản đơn tuyến đường trục có quy mơ giao thơng lớn (xe tải nặng) khu vực thành phố Hồ Chí Minh Phương pháp phân tích tổng hợp lý thuyết: để nghiên cứu tài liệu liên quan nhằm lựa chọn mơ hình phù hợp cho mơ số lan truyền vết nứt mặt cầu bê tông cốt thép đổ chỗ nguyên nhân xe ôtô q tải; Phương pháp mơ hình hố: để mơ số lan truyền vết nứt mặt cầu bê tông cốt thép đổ chỗ nguyên nhân xe ôtô tải theo lý thuyết học phá hủy rạn nứt bê tông V Kết cấu đề tài Phần Mở Dầu Chương 1: Tổng quan tình trạng sử dụng tình hình nghiên cứu nứt mặt cầu bê tông cốt thép đổ chỗ Chương 2: Nghiên cứu lập trình mơ số lan truyền vết nứt mặt cầu bê tông cốt thep đổ chỗ bánh xe tác dụng phân bố rời rạc xung quang Các vết nứt dạng O hai dải hẹp, đối xứng qua tâm, song song, kéo dài theo phương dọc cầu Chi tiết phân bố vết nứt đáy Hình 3.14 a Mơ hình 3D b Phương ngang cầu c Phương dọc cầu d Mặt Hình 3.13: Phân bố vết nứt tải trọng trục 214.5kN Hình 3.14: Phân bố vết nứt đáy tải trọng trục 214.5kN Ghi ký hiệu kết phân tích nứt: Partially open-loading (P) : Mở phần đặt tải, nứt phân tán Partially open-unloading (P!) : Mở phần dỡ tải, nứt phân tán Fully open-loading (O) : Mở hoàn toàn đặt tải, nứt tập trung Fully open unloading (O!) : Mở hoàn toàn dỡ tải, nứt tập trung Closed (C) : Khép lại Not crack yet : Chưa nứt 68  Độ võng, ứng suất cốt thép BMC BTCT Hình 3.15: Hình 3.15: Độ võng, ứng suất cốt thép RC tải trọng trục 214.5kN xe tải Nhận xét:  Khi tải trọng trục 96kN xuất vết nứt vi mô tải trọng  Khi tải trọng trục 145kN tải trọng trục thiết kế vết nứt lan truyền, phạm vi vùng nứt mở rộng, tập trung chủ yếu vùng bánh xe biên ngàm  Khi tải trọng trục 214.5kN tải trọng trục lớn xe tải:  Các vết nứt tiếp tục lan truyền, phạm vi vùng nứt tiếp tục mở rộng, xuất vết nứt xiên Các vết nứt lớn (các vết nứt dạng O) phân bố hai dải hẹp, đối xứng qua tâm, kéo dài theo phương dọc cầu  Độ võng nhỏ: 0.369mm  Kết ứng suất cốt thép phân tích phi tuyến lớn nhiều so với phân tích tuyến tính: 102.36MPa>15.32MPa  Ứng suất cốt thép nhỏ nhiều so với giới hạn cho phép: 102.36MPa