Nghiên cứu ứng dụng bê tông cốt sợi thép tại khu vực đầu neo cáp dự ứng lực có xét đến hàm lượng cốt sợi,luận văn thạc sĩ xây dựng đường ô tô và đường thành phố

PHẦN MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG CỐT SỢI 1.1 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN 1.2 PHÂN LOẠI BÊ TÔNG XI MĂNG CỐT SỢI 1.3 VẬT LIỆU CHẾ TẠO BÊ TÔNG XI MĂNG CỐT SỢI - 1.4 ỨNG DỤNG CỦA BÊ TÔNG CỐT SỢI THÉP - 13 1.5 ỨNG DỤNG BÊ TÔNG CỐT SỢI THÉP TRONG CẦU 14 1.6 TÍNH CẦN THIẾT CỦA LUẬN ÁN 17 CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU VỀ ẢNH HƯỞNG CỦA HÀM LƯỢNG CỐT SỢI THÉP TRONG BÊ TÔNG CỐT SỢT THÉP - 19 2.1 MỞ ĐẦU - 19 2.2 CÁC YÊU CẦU KHI THIẾT KẾ THÀNH PHẦN BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ CAO CỐT SỢI THÉP (BTCĐCCST) - 20 2.3 THÀNH PHẦN BTCĐCCST - 21 2.3.1 Giới thiệu - 21 2.3.2 Xác định thành phần BTCST - 22 2.3.2.1 Các khái niệm - 22 2.3.2.2 Cường độ yêu cầu - 23 2.3.3 Kết tính tốn thành phần BTCST 24 2.3.4 Kế hoạch thí nghiệm xác định thành phần BTCĐCCST - 24 2.3.4.1 Lựa chọn tiêu chuẩn vật liệu 24 2.3.4.2 Thí nghiệm - 24 2.3.4.3 Kiểm tra tính kỹ thuật cường độ 25 2.4 CÁC ĐẶC TÍNH CƠ HỌC CỦA BÊ TƠNG CỐT SỢI - 26 2.4.1 Khả chịu tải trọng gây nứt ban đầu - 26 2.4.2 Tính chất học kết cấu bê tông cốt sợi 27 2.4.2.1 Các yếu tố ảnh hưởng - 27 2.4.2.2 Cường độ chịu nén 29 2.4.2.3 Cường độ chịu kéo 30 2.4.2.4 Cường độ chịu uốn 30 Trang 2.4.2.5 Độ bền cắt 30 2.4.2.6 Co ngót từ biến - 31 2.5 LỰA CHỌN MƠ HÌNH CƠ HỌC VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH - 31 2.5.1 Vật liệu chế tạo kích thước mẫu - 31 2.5.2 Chuẩn bị mẫu 33 2.5.3 Mô hình thí nghiệm - 34 2.5.4 Thiết bị thí nghiệm 34 2.5.5 Phương pháp tiến hành - 35 2.5.6 Thu thập kết - 37 2.5.7 Các kết đạt - 38 2.6 LỰA CHỌN VẬT LIỆU CỐT SỢI THÉP 42 2.7 PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG CỦA HÀM LƯỢNG CỐT SỢI THÉP TRONG BTCT VÀ BTCT DƯL - 46 2.7.1 Bê tông cốt sợi thép kết cấu BTCT 46 2.7.2 Bê tông cốt sợi thép kết cấu BTCT DƯL 50 2.7.3 Khu vực vùng neo kết cấu BTCT DƯL - 51 2.8 KẾT LUẬN CHƯƠNG 55 CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BÊ TÔNG CỐT SỢI THÉP TẠI KHU VỰC ĐẦU NEO CÓ XÉT ĐẾN HÀM LƯỢNG CỐT SỢI 56 3.1 MÔ TẢ DẦM BTCT DƯL VÀ DẦM BTCT DƯL GIA CƯỜNG CỐT SỢI THÉP 56 3.1.1 Dầm BTCT DƯL 56 3.1.2 Một số vấn đề xảy khu vực đầu neo căng kéo cáp DƯL. - 59 3.1.3 Tính BTCĐCCST 60 3.2 THIẾT KẾ VÙNG NEO THEO TIÊU CHUẨN 22TCN272-05 - 64 3.3 NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BÊ TÔNG CỐT SỢI THÉP TẠI KHU VỰC ĐẦU NEO XÉT ĐẾN HÀM LƯỢNG CỐT SỢI - 67 Trang 3.4 ỨNG DỤNG BÊ TÔNG CỐT SỢI THÉP TẠI KHU VỰC ĐẦU NEO CÁP DƯL 69 3.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG 71 CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ TÍNH TỐN VÙNG NEO - 71 4.1 CƠ SỞ THIẾT KẾ TÍNH TỐN VÙNG NEO - 71 4.2 TÍNH TỐN VÙNG ĐẦU DẦM BTCT DƯL CHỮ I, L=33m GIA CƯỜNG CỐT SỢI THÉP - 72 4.3 TÍNH TỐN VỚI VÙNG NEO CẦU DẦM HỘP (theo phương pháp nghiên cứu thực nghiệm Robinson Tawfiq) - 77 4.4 TÓM TẮT KẾT QUẢ 82 4.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG 83 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ - 84 Kết luận - 84 Kiến nghị - 85 TÀI LIỆU THAM KHẢO - 87   Trang PHẦN MỞ ĐẦU I Tính cấp thiết đề tài Trong điều kiện công nghệ, VLXD điều kiện môi trường Việt Nam giai đoạn có vấn đề quan trọng xử lí dạng vết nứt phát sinh q trình thi cơng sử dụng cơng trình dùng BTCT Có nhiều ngun nhân gây vết nứt cấu kiện bê tông cường độ chịu kéo bê tông, co ngót, từ biến vị trí đặc biệt kết cấu chịu ứng suất phức tạp làm cho vật liệu bê tông thông thường không đủ khả chịu lực, ví dụ mặt cầu BTCT, vùng neo cáp cầu dây văng; vùng neo mối nối quan trọng đốt dầm cầu ứng dụng công nghệ đúc hẫng lắp hẫng II Mục tiêu nghiên cứu đề tài Để giải vấn đề này, người ta sử dụng nhiều biện pháp căng kéo cốt thép dự ứng lực, dùng chất phụ gia chống co ngót, hay bố trí loại cốt thép đặc biệt vị trí cần thiết …, nhiên giải pháp khơng phải trường hợp phát huy tác dụng Bên cạnh nhà khoa học cịn tìm giải pháp để tăng cường khả chịu lực bê tơng thơng qua việc thay đổi số tính chất vật liệu cho thêm vào bê tông số cốt liệu muội silic, loại sợi… Trong giải pháp trên, giải pháp tăng cường bê tông vật liệu dạng sợi ý tưởng nhà nghiên cứu quan tâm giới Riêng ngành xây dựng dân dụng nói chung hay ngành xây dựng cầu đường nói riêng Việt Nam vấn đề mẻ III Đối tượng nghiên cứu Sợi dùng để gia cường bê tơng có nhiều loại sợi thép, sợi cacbon, sợi thuỷ tinh, sợi chất dẻo, sợi thực vật… sợi thép chọn lựa hợp lí giá thành rẻ so với sợi cacbon, sợi thuỷ tinh khả Trang chịu lực lớn so với sợi chất dẻo, sợi thực vật Hơn nữa, bê tông thép hai loại vật liệu ứng dụng rộng rãi khả làm việc chung với chúng hợp lí nghiên cứu đầy đủ Đối với việc ứng dụng bê tông gia cường cốt sợi thép xây dựng vấn đề cần thiết phù hợp với điều kiện xây dựng Việt Nam IV Phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu ứng dụng bê tông cốt sợi thép khu vực đầu neo cáp DƯL có xét đến hàm lượng cốt sợi V Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết lập ví dụ tính tốn thực tế cơng trình cầu Vì lí trên, đề tài luận án chọn là: “NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG BÊ TÔNG CỐT SỢI THÉP TẠI KHU VỰC ĐẦU NEO CÁP DƯL CÓ XÉT ĐẾN HÀM LƯỢNG CỐT SỢI ” Trang CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG CỐT SỢI 1.1 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN Từ cổ xưa, loại sợi sử dụng để tăng cường cho vật liệu giòn Từ thời kỳ Ai Cập Babylon, người ta sử dụng loại sợi lông động vật để tăng cường cho gạch, tường trát bùn, thạch cao Với vữa ximăng pooclăng người ta sử dụng sợi amiăng Những nghiên cứu sợi thép phân tán Romualdi, Batson, Mandel [40],[41] Nghiên cứu thực Shah Swamy vài nghiên cứu khác Mỹ, Anh Nga [42], [43] Vào năm 1960, BTCST bắt đầu sử dụng vào kết cấu mặt đường Từ năm 1971 - 1977 [44] [45], Nawy cộng nghiên cứu làm việc lâu dài bó có nhiều nhỏ, lưới thuỷ tinh bị biến dạng tăng cường kết cấu Từ q trình sử dụng sợi tăng cường vào bê tông nghiên cứu nhiều nhằm mục đích cải thiện số tính học bê tơng Tuy nhiên, khơng thay cho thép tăng cường kết cấu bê tông cốt thép Khoa học bê tơng cốt sợi phát triển từ Trong năm 1989 - 1999, tiêu chuẩn ACI 544 [22] bê tông cốt sợi đời, gồm có tập: tập 1R tổng quan, tập 2R tính chất, tập 3R giới thiệu công nghệ, tập 4R-99 hướng dẫn thiết kế bê tông tăng cường cốt sợi thép Tiêu chuẩn ASTM C1018-97 hướng dẫn thí nghiệm xác định độ dai BTCST [19] Năm 1994, HSu LS HSu CCT phân tích trạng thái ứng suất biến dạng BTCST [15] Năm 1996, Nawy công bố nghiên cứu tăng cường bê tông cốt sợi [20] Năm 1978, Wyliam Sharama [9] công bố khả chịu cắt bê tông cốt sợi Năm 1992, Naaman [10] thông báo bê tông cốt sợi chất lượng cao Bayashi, năm 1992 [11] công bố việc ứng dụng sợi cacbon công tác tăng cường sửa chữa kết cấu Richard, năm Trang 1992 [29] công bố bê tơng có độ bền cao sử dụng cốt sợi thép Năm 1995 2000, F.De Larrard J.M Torrenti có cơng bố bê tơng chất lượng cao BTCST Bernhard R Maidl Steel Fibere RC [13] Năm 1995, nước Đức, giới thiệu kiến thức bê tông cốt sợi phương pháp phân tích quan hệ tải trọng độ võng [14] Vấn đề độ dai bê tông gia cường cốt sợi quan tâm nghiên cứu từ năm 2000 đến 2007 với công bố việc so sánh tiêu chuẩn ASTM C1018 tiêu chuẩn Nhật Bản JSCE SF-4 tác giả Yu Cheng Kan - Taiwan [15] Piti Sukontasukkul - Bangkok [16] Các tác giả cho sử dụng tiêu chuẩn ASTM thích hợp với thí nghiệm kéo thí nghiệm uốn mẫu 100x100x350mm Năm 1997, D.O.AlGhamdy [17] Đại học Michigan (Mỹ) công bố nghiên cứu quan hệ độ dai với thành phần vật liệu có hàm lượng cốt sợi vf từ 0,75 đến 1,5% với biến thay đổi đường kính lớn cốt liệu 1/4in (6,35mm), tỷ lệ N/X từ 0,42 đến 0,6, hàm lượng cốt liệu biến đổi từ 35% đến 47%, mẫu thử có kích thước 4x4x16in (100x100x400mm) rút kết luận lượng phá hủy phụ thuộc vào thành phần bê tông cốt sợi, lượng sợi thép, loại sợi thép làm việc bê tông cốt sợi sau nứt đàn hồi dẻo Năm 1994 tác giả Jean Francois Trường Đại học Nova Scotia Canada [18] nghiên cứu mơ tải tính dai vật liệu BTCST mẫu 100x100x350mm với cường độ bê tông từ 40MPa đến 85MPa (mẫu 150x150x150mm) xác định trị số mô đun đàn hồi mô đun cắt vùng độ võng từ 0-0,4mm tính tốn lượng đàn hồi lượng tổng thể Vào tháng năm 2007, Job Thomas Ấn Độ [26] có trình bày nghiên cứu tính chất học BTCST có cường độ mẫu hình lập phương từ 35-65MPa với hàm lượng cốt sợi thép từ 0,5-1,5% xem xét tính chất bê tông cốt sợi tương quan với hệ số L/df ứng dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm để lập công thức đơn giản để dự báo mô đun đàn hồi tính chất khác Trang Các nghiên cứu bê tông cốt sợi polyme trình bày cơng trình nghiên cứu Shin Hwang T Budi Aulia [20][21] vào năm 2003 Các nghiên cứu động học BTCST tác giả K Fullard P Barr (Anh) công bố [22] M.Zineddin T Krauthamer (Viện Hàn lâm Khoa học Hoa Kỳ) công bố vào năm 2006 Đại học Munchen Đức công bố nghiên cứu thí nghiệm va chạm vào bê tơng với tốc độ cao Jensen J.J Tomaszevicz A cơng bố năm 1998 nghiên cứu phân tích va chạm kết cấu bê tông cốt thép gia cường sợi thép [23] Trong sách Les Bestons de fibres metalliques tác giả Rossi - Casanova - 1998 - Trường Cầu Đường Paris [27] trình bày đầy đủ sở để nghiên cứu BTCST Vào năm 1999 Berlin tác giả Yong zhi Lin Trường Karlsruhe [24] công bố sách bê tông gia cường cốt sợi có trình bày phân tích kết cấu bê tơng cốt sợi sở học phá hủy Các sở để thí nghiệm thiết kế bê tơng gia cường cốt sợi chủ yếu dựa tiêu chuẩn RILEM TC 162TDF [23] công bố tháng năm 2002 hướng dẫn phương pháp phân tích theo mặt cắt theo học phá hủy Tác giả Konig, Holschemacher, Dehn, 11/2002, Leipzig (Đức) xuất sách Faserbeton [38] Sách hướng dẫn cách thí nghiệm phân tích tính chất, phân tích học phá hủy phương pháp thiết kế theo mặt cắt, đặc biệt có giới thiệu kết nghiên cứu ứng dụng tà vẹt bê tông cốt sợi Các nghiên cứu bê tông siêu cường độ (150-800MPa ) công bố giới tác giả Mỹ, Trung Quốc, Nhật Bản, Hàn Quốc, Pháp, Đức Hội nghị Bê tông chất lượng cao Thế giới năm 2005[28] Tại Việt Nam vấn đề bê tông cốt sợi BTCST bước đầu quan tâm công bố năm 2003 với sách BTCST tác giả Nguyễn Viết Trang Trung chủ biên [8] Các luận án tiến sĩ bê tông cốt sợi polyme tác giả Nguyễn Ngọc Long năm 2000 [4] Tác giả Nguyễn Văn Chánh, 2001 bê tông nhẹ cốt sợi hữu [5] Nguyễn Tiến Bình, 2005, bê tơng cốt sợi polypropylen [12] nhiều cơng trình nghiên cứu khoa học Viện Khoa học Công nghệ Giao thông Vận tải [9] Báo cáo Tổng kết đề tài nghiên cứu chế tạo bê tông cốt sợi chất lượng cao cốt sợi nhân tạo [6] Viện Khoa học Công nghệ Xây dựng công trình nghiên cứu nhiều vấn đề đặc biệt có nghiên cứu ứng dụng bê tông cốt thép kết hợp với sợi khẳng định vai trò sợi việc tăng cường khả chịu kéo uốn bê tơng 1.2 PHÂN LOẠI BÊ TƠNG XI MĂNG CỐT SỢI Theo cường độ có loại bê tơng cốt sợi: Bê tông cốt sợi (f’c=25-50MPa); Bê tông cốt sợi cường độ cao (f’c = 60-100MPa ); Bê tông cốt sợi siêu cường độ (f’c =120-800MPa ) [30] [39] Theo thể tích sợi: Bê tơng cốt sợi (0,25-2,5%); Bê tơng nhiều cốt sợi (1025%) Theo loại sợi: Bê tông cốt sợi thép, bê tông cốt sợi tổng hợp, bê tông cốt sợi thủy tinh, bê tông cốt sợi cacbon, bê tông cốt sợi xơ dừa, vải cốt sợi tự nhiên khác Theo chất kết dính (pha nền): Bê tơng xi măng cốt sợi, bê tông polyme cốt sợi (Epoxy) 1.3 VẬT LIỆU CHẾ TẠO BÊ TÔNG XI MĂNG CỐT SỢI Vật liệu chế tạo bê tông xi măng cốt sợi bao gồm : sợi, cốt liệu, chất kết dính phụ gia hóa dẻo Bê tơng cường độ cao cốt sợi có thêm thành phần khống siêu mịn Sợi thép sản xuất từ thép cacbon hay thép không gỉ, cường độ chịu kéo khoảng 345-1380MPa , môđun đàn hồi khoảng 200GPa, tiết diện sợi thép trịn, vng, chiều dài sợi thép thường nhỏ 75mm tỉ Trang số chiều dài sợi đường kính sợi L/df từ 30-l00 sử dụng để gia cường cho BTXM Đầu tiên nhà khoa học dùng sợi thép nhỏ thẳng để tăng khả chịu uốn chống nứt cho bê tông Shah Rangan [42] nghiên cứu bê tông sợi thép nhỏ với đường kính 0,25-0,75mm Lượng sợi sử dụng tỷ lệ chiều dài đường kính sợi sợi thép yếu tố để thí nghiệm kiểm tra tính chất BTCST Khối lượng sợi thép dùng từ 90-125 kg/m3 bê tông Với mật độ sợi cao, khó khăn sợi vón cục q trình trộn, dùng sợi dài Việc sử dụng sợi thép làm cho độ dẻo hỗn hợp bê tông giảm Khuynh hướng ảnh hưởng đến chất lượng bê tông, đặc biệt, hàm lượng cốt sợi cao Để khắc phục tượng cần dùng loại phụ gia dẻo giảm nước để điều chỉnh tính dẻo hỗn hợp bê tơng Sợi thủy tinh sử dụng chủ yếu để sản xuất bê tông cốt sợi Sợi thủy tinh loại thường sử dụng bê tông bị phân hủy môi trường kiềm xi măng pclăng Chính vậy, sợi thủy tinh bền kiềm sản xuất để thay sợi thủy tinh thường BTCS thủy tinh Sợi tổng hợp polyme sản xuất từ sản phẩm công nghệ dầu mỏ công nghệ dệt Những loại sợi polyme sử dụng với vật liệu xi măng gồm: acrylic, aramid, nylon, polyester, polyethylen polypropylen Sợi polyme có khả bền môi trường kiềm xi măng Tuy nhiên, mơđun đàn hồi thấp, tính bám dính với vật liệu kém, nhạy cảm với xạ mặt trời bị oxy hóa Sợi cacbon có giá thành cao nên việc sử dụng chúng để gia cường cho vật liệu xi măng bị hạn chế Sợi cacbon có mơđun đàn hồi cao sợi thép, chúng nhẹ, tỉ trọng khoảng l,9 đặc biệt bền vững hầu hết mơi trường hóa học Một số cơng trình Nhật dùng bê tông sợi cacbon làm vật liệu bao che cho tũa nh cao tng Trang 10 Số nhánh cốt đai DiÖn tÝch cèt thÐp HÖ sè  Vnh = 24.13 VËy =>  Vnh = II m = 12 Avn = 24.13 cm2 m = x 400 x x 0.9 = 8686 >  Vn = 4021 8686 KN OK KHả NĂNG CHốNG CắT TIếT DIện dầm btct DƯl (trờng hợp có cốt sợi thép) Công thức kiĨm to¸n : Vu  ( Vc + Vs + Vf) = 2043 > Vc = 2043 KN 659 KN OK Khả chống cắt cốt thép neo vị trí đầu dầm (trờng hợp có cốt sợi thép) Tinh theo c«ng thøc : S Vn < = Vnh S Vn = Vu x bv x 0,5 x L / Khả chống cắt đầu dầm Bề rộng cánh dầm Lực cắt đơn vị Vn = 0.00768459 Vc bv Vu x650 = 659 = 650 = Vc / ( bv x = 659.33784 = 0.0076846 x1610 / 2.00 Cờng độ chịu cắt cốt thép ®ai:  Avn x Vc / ( bv x d ) Vnh = D = Đờng kính cốt thép đai Số nhánh cốt đai m = Avn = Diện tích cèt thÐp HÖ sè m =  Vnh = 15.93 x 400 x  (Vnh+Vf) = 7761 > /(650 KN /cm2 = 13 mm 12 15.93 cm2 x 0.9 = Cờng độ chịu cắt cốt sợi thÐp: S.p / f Vf = DiƯn tÝch t¸c dơng cđa cèt sỵi thÐp, S = HƯ sè an toμn,  = øng suÊt kÐo cèt thÐp cã cèt sỵi thÐp: pc = (6+2.6Vf) sqrt(f'c) =  Vf = 4.29 x 349.96 / 1.5 VËy => KN cm d) 4.29 1.5 Trang 76 4021 KN 5734 KN m2 507.58 Psi = x 0.9 =  Vn = x 132) = 349.96 KN/m2 2027 KN 4021 OK 4.3 TÍNH TỐN VỚI VÙNG NEO CẦU DẦM HỘP (theo phương pháp nghiên cứu thực nghiệm Robinson Tawfiq) Nội dung tính dầm hộp BTCT DƯL gồm có: - Phần I: Cơ sở thiết kế - Phần II: Chi tiết dầm hộp, cáp DƯL, trụ cầu - Phần III: Các trường hợp tải trọng tổ hợp tải trọng - Phần IV: Mơ hình tính tốn kết tính tốn - Phần V: Kiểm tra trạng thái giới hạn sử dụng cường độ - Phần VI: Kiểm tra mặt cắt theo cắt xoắn - Phần VII: Kiểm tra mặt cắt ngang dầm (cánh hẫng, sườn - Phần VIII: Kiểm toán ổn định trụ thi cơng Phần tính tốn với vùng neo cầu dầm hộp nằm phần VI “Kiểm tra mặt cắt theo cắt xoắn” Nội lực khu vực đầu dầm gồm có lực cắt lực cục đầu neo ảnh hưởng lực căng kéo bó cáp DƯL Cường độ chịu nén tính tốn bê tơng khơng vượt q 0.7φ f’c, cịn trường hợp mà yêu cầu độ an toàn lớn bê tơng bị nứt mở rộng giới hạn tác động khác phải lấy giới hạn 0.6φ f’c Trong f’c cường độ bê tơng tuổi 28 ngày, cịn φ hệ số sức kháng lấy theo phần 5.5.4.2.1 quy trình Trong quy trình hành 22TCN272-05, có công thức dẫn thiết kế ứng suất nén, vị trí giá trị lực kéo khu vực neo, lực kéo mép ụ neo phần 5.10.9.6 “Các phân tích ứng suất thiết kế gần đúng” Trong đó, lực nở vùng neo Tburst vị trí lực nở dburst tính sau: Tburst = 0.25 Σ Pu (1-a/h) +0.5|Σ(Pu sin α)| (3.15) dburst = 0.5(h-2e) + e sin α (3.16) Trang 77 đó, Pu: lực kéo cáp DƯL; a: kích thước ngang ụ neo; e: độ lệch tâm neo; h: kích thước dọc ụ neo; α: góc nghiêng bó cáp so với lực dọc trục cáp DƯL Tuy nhiên, quy trình với công thức Tburst chưa xét đến ảnh hưởng cốt sợi môi trường ứng suất-biến dạng vùng neo Năm 2008, ông Kamal Tawfiq Brenda Robinson nghiên cứu đưa cơng thức tính Tburst xét đến hàm lượng cốt thép khu vực vùng neo sau: Tburst = 0.23 P [1-1.11(a/h)-0.15(F%)+0.15(a/h)(F%)] (3.17) với F: hàm lượng cốt sợi thép thể tích bê tơng Trong q trình căng kéo cáp DƯL, xuất ứng suất kéo lớn khu vực lân cận vùng neo Phương pháp tính tốn cốt thép thường dựa ứng suất kéo vùng neo thể công thức As = Tburst/ fs với fs cường độ giới hạn cốt thép thường As diện tích cốt thép thường So sánh cơng thức tính Tburst AASHTO 22TCN272-05, cơng thức số (3.17) có giá trị nhỏ từ 16% đến 18%, xét đến làm việc cốt sợi kết cấu bê tơng với hàm lượng 0.5% Cịn với hàm lượng cốt sợi thép khoảng 3% Tburst nhỏ 23% Những kết thực nghiệm chứng tỏ chênh lệch phù hợp Dưới trình bày cụ thể tính tốn vùng neo cầu dầm hộp BTCT DƯL với trường hợp khơng có xét đến hàm lượng cốt sợi thép Trang 78 Tính toán thiết kế khối neo P: Lực căng kéo cáp DƯL 0.7 pu Ap = 1302 Loại cáp Loại cáp 12s12.7mm 12s15.2mm 1s28.6mm x S mm2 1184.4 1680.0 532.4 1184 = 1542089 N 12s12.7mm pu Mpa 1860 1860 1800 pu Mpa 1302 1302 1260 Ký hiệu: e: C: R:  T1: T2: T3: T4: T5: T6: a, b: a', b': f : Độ lệch tâm cáp DƯL so với tim đáy (mm) Chiều dài khối neo (mm) Bán kính uốn cáp DƯL (mm) Góc uốn cáp DƯL (độ) Lực cắt vùng neo theo phương z (kN) Lực cắt vùng neo theo phương y (kN) Lực cắt vùng neo phần tiếp giáp khối neo đáy (kN) Lực cắt đáy dầm gây lực căng cáp phía trước khối neo (kN) Lực cắt đáy dầm gây mô men tạo căng cáp (kN) Lực cắt vùng neo tai cuối khối neo (kN) Kích thước khối neo (mm) Kích thước neo (mm) Ứng suất nén trung bình đáy sườn dầm (phía trước đầu neo) (N/mm2) f'c: : Cường độ nén tính tốn theo 28 ngày tuổi vùng neo (Mpa) hệ số sức kháng vùng neo Lực căng kéo cáp DƯL(kN) P Độ lệch tâm cáp DƯL e Chiều dài khối neo C Chiều cao khối neo H Khoảng cách từ tim neo đến mép h Cường độ vùng neo (thời điểm cănf'c  Góc uốn cáp DƯL Bán kính uốn cáp DƯL Chiều dày đáy sườn dầm Kích thước khối neo R t a b b1 N mm mm mm mm Mpa deg mm mm mm mm mm Trang 79 1542089 270 2662 350 150 36 10 8000 240 350 300 540 Kích thước ụ neo Ứng suất nén đáy sườn dầm (phía trước đầu neo) Diện tích vùng neo Mô đun kháng uốn khối neo Loại cốt thép Ứng suất kháng kéo cốt thép b2 d b' mm mm mm 300 240 240 f N/mm2 1.03 A Z mm2 mm3 t N/mm2 Kiểm tra lực ép cục vùng neo Sức kháng ép mặt tính tốn cục vùng neo (Pr =  fn Ab)  Hệ số sức kháng vùng neo fn = (2,25 f'c; 0.7 f'c sqrt(A1/A2) )  Diện tích neo  Diện tích vùng neo cục Pr =  fn Ab Kiểm tra (Pr > P) Mpa mm2 mm2 Mpa 177000 17405000 SD345 180 0.8 34.024 57600 105000 1567821 OK Lực cắt đầu neo tính tốn theo phương ngang T1 = 0.25 Pu (1-d/a) (N) 121164 Diện tích cốt thép tính tốn At Đường kính cốt thép Dia Số lượng cốt thép Diện tích cốt thép thiết kế [At] Lực cắt đầu neo thiết kế [T1] = t [At] 673 16 804 144765 OK mm2 mm nos mm2 Kiểm tra cốt thép chịu cắt đầu neo T1 < [T1] Lực cắt đầu neo tính tốn T2 = 0.25 Pu (1-b'/b) (N) Lực cắt tính tốn phần tiếp giáp ụ neo T3 = 0.1 Pu (N) Tổng lực cắt tính tốn đầu neo theo phương đứng (T2 + T3) (N) 77104 154209 231313 Diện tích cốt thép tính tốn Đường kính cốt thép Dia Số lượng cốt thép Số lưới cốt thép Diện tích cốt thép thiết kế Chiều dài tối thiểu cốt thép F2 Khoảng cách lưới cốt thép F2 Số lượng tối thiểu lưới thép đai F2 Số lượng bố trí lưới F2 Kiểm tra số lượng lưới cốt thép Lực cắt đầu neo thiết kế [T2+T3] = t [At] 1285 16 1608 175 100 OK 289529 OK mm2 mm nos nos mm2 mm @ n n Kiểm tra cốt thép chịu cắt đầu neo T2+T3 < [T2+T3] Trang 80 Lực cắt tính tốn giáp ụ neo T4 = 0.5 Pu - sf (b*t) (N) 696884 Lực cắt mô men lệch tâm căng kéo cáp T5 Ứng suất mép khối neo Ứng suất tim khối neo Ứng suất thớ khối neo Ứng suất thớ đáy Chiều cao vùng chịu nén Lực cắt tính tốn Lực cắt tổng cộng (T4 + T5) N/mm2 N/mm2 N/mm2 N/mm2 mm N N 26.4 14.7 3.0 -13.1 195.5 383695 1080580 Diện tích cốt thép tính tốn Đường kính cốt thép Dia Số lượng cốt thép Diện tích cốt thép thiết kế Lực cắt đầu neo thiết kế [T4+T5] = t [At] mm2 mm nos mm2 6003 25 14 6872 1237002 OK Kiểm tra cốt thép chịu cắt T4+T5 < [T4+T5] Lực cắt cáp cong gây T6 N 267781 Diện tích cốt thép tính tốn Đường kính cốt thép Dia Số lượng cốt thép Số lưới cốt thép Diện tích cốt thép thiết kế Lực cắt cáp cong thiết kế [T6] = t [At] mm2 mm nos nos mm2 1488 16 1608 289529 OK Kiểm tra cốt thép chịu cắt T6< [T6] Hình 4.1: Bố trí cốt thép vùng neo (không sử dụng cốt sợi thép) Trang 81 Lực cắt vùng neo T1* sử dụng cốt sợi thép với hàm lượng F (%) = 0.5 T1* = 0.23 P [1-1.11(a/h)-0.15(F%)+0.15(a/h)(F%)] Lực cắt đầu neo tính tốn theo phương ngang T1* (N) 76358 Diện tích cốt thép tính tốn Đường kính cốt thép Dia Số lượng cốt thép Diện tích cốt thép thiết kế [At]* Lực cắt đầu neo thiết kế [T1*] = t [At]* 424 12 452 81430 OK mm2 mm nos mm2 Kiểm tra cốt thép chịu cắt đầu neo T1 < [T1] Triết giảm khối lượng F1* so với F1 44% T2* = 0.23 P [1-1.11(b/h)-0.15(F%)+0.15(b/h)(F%)] Lực cắt đầu neo tính tốn T2* (N) Lực cắt tính tốn phần tiếp giáp ụ neo T3 (N) Tổng lực cắt tính tốn đầu neo theo phương đứng T2* T3 (N) 34404 154209 188613 Diện tích cốt thép tính tốn Đường kính cốt thép Dia Số lượng cốt thép Số lưới cốt thép Diện tích cốt thép thiết kế Lực cắt đầu neo thiết kế [T2*+T3] = t [At] 1048 14 1232 221671 OK mm2 mm nos nos mm2 Kiểm tra cốt thép chịu cắt đầu neo T2*+T3 < [T2*+T3] Triết giảm khối lượng F2* so với F2 23% Hình 4.2: Bố trí cốt thép vùng neo (sử dụng cốt sợi thép với hàm lượng 0.5%) 4.4 TÓM TẮT KẾT QUẢ Bảng 4.1 Tổng kết trường khác hàm lượng cốt sợi thép F (%) F (%) 0.25 0.5 0.75 1.0 2.0 Cốt thép giảm (%) -11 -15 -19 -21 -22 Chi phí xây dựng tăng (%) +10 +13 +23 +30 +54 Trang 82 4.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG - Có thể ứng dụng bê tông cường độ cao cốt sợi thép vào toàn kết cấu dầm cầu khu vực cục cần tăng cường khả đặc biệt cho kết cấu cầu - Có thể sử dụng quy trình hành, mơ hình tính tốn, cơng thức thực nghiệm để tính tốn thiết kế vùng đầu dầm dầm BTCT DƯL chữ I vùng cầu dầm hộp BTCT DƯL - Với quy trình hành, dùng phương pháp phân tích kết cấu theo quy trình hành chưa thể xác định làm việc hàm lượng cần thiết cốt sợi thép Do vậy, cần thiết phải tiến hành nghiên cứu thực nhiệm hàm lượng cốt sợi thép để đưa vào quy trình quy phạm Việt Nam - So sánh cơng thức tính Tburst AASHTO 22TCN272-05, cơng thức ơng Kamal Tawfiq Brenda Robinson có giá trị nhỏ từ 16% đến 18% xét đến làm việc cốt sợi kết cấu bê tơng với hàm lượng 0.5% Cịn với hàm lượng cốt sợi thép khoảng 3% Tburst nhỏ 23% Những kết thực nghiệm ông chứng tỏ chênh lệch phù hợp - Theo điều kiện thực tế Việt Nam, qua tính tốn khối lượng đơn giá vật liệu thành phần, nhận thấy với trường hợp sử dụng 0.5% cốt sợi thép kết hợp với giảm 35% khối lượng thép đai khu vực vùng neo (tương đương giảm khoảng 15% toàn khối lượng thép vùng neo) chi phí xây dựng tăng khoảng 13% Trang 83 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Sau nghiên cứu thành phần, tính chất học, phân tích ứng xử uốn bê tông cốt sợi thép, nghiên cứu phương pháp thiết kế ứng dụng vào vùng neo cầu BTCT DƯL đưa kết luận sau: - Nghiên cứu BTCST tạo sở khoa học để phát triển loại kết cấu Việt Nam nhằm tăng cường chất lượng cho cầu bê tông cốt thép cầu bê tông cốt thép dự ứng lực Trên sở vật liệu nước kết nghiên cứu cho thấy có khả tiến hành nghiên cứu thành phần, tính chất bê tông cốt sợi thép ứng dụng kết cấu cầu, đặc biệt ứng dụng cho phạm vi vùng neo cầu BTCT DƯL kéo sau - Bê tơng mác trung bình (mác 300) sử dụng sợi thép không hiệu Khi sử dụng sợi thép với mục đích làm tăng cường độ chịu kéo uốn bê tơng sử dụng bê tơng cấp từ 40-50 (40-50 MPa) trở lên - Hàm lượng sợi thép làm tăng cao cường độ chịu uốn bê tông, mức độ tăng cường độ chịu uốn bê tông sử dụng sợi thép phụ thuộc vào nhiều yếu tố, tỷ lệ hướng sợi yếu tố quan trọng: - Việc tăng cường cốt sợi thép với hàm lượng 1% thể tích bê tơng khơng làm tăng khả chịu nén bê tông tăng cường độ chịu kéo cấu kiện - Cốt sợi thép có hiệu lớn với dầm có bố trí thép đai Trong tất dầm BTCST, cường độ kháng uốn chịu dẻo cao so với dầm BTCT thường - Sử dụng cốt sợi thép với hàm lượng khác giảm đáng kể không cần sử dụng cốt thép đai khu vực vùng neo cầu BTCT DƯL Với vùng neo cầu BTCT DƯL kéo sau, sử dụng Trang 84 hàm lượng cốt sợi thép 0.5% kinh tế thuận tiện cho công tác thi công làm việc vùng neo căng kéo cáp DƯL - Trong quy trình chưa xét đến ảnh hưởng cốt sợi môi trường ứng suất-biến dạng vùng neo Kiến nghị sử dụng công thức Kamal Tawfiq Brenda Robinson xét đến hàm lượng cốt thép khu vực vùng neo sau để xác định lực kéo nở vùng neo: Tburst = 0.23 P [1-1.11(a/h)-0.15(F%)+0.15(a/h)(F%)] với F: hàm lượng cốt sợi thép thể tích bê tơng - So sánh cơng thức tính Tburst AASHTO 22TCN272-05, cơng thức ông Kamal Tawfiq Brenda Robinson có giá trị nhỏ từ 16% đến 18% xét đến làm việc cốt sợi kết cấu bê tông với hàm lượng 0.5% Còn với hàm lượng cốt sợi thép khoảng 3% Tburst nhỏ 23% Những kết thực nghiệm ông chứng tỏ chênh lệch phù hợp - Theo điều kiện thực tế Việt Nam, qua tính toán khối lượng đơn giá vật liệu thành phần, nhận thấy sử dụng 0.5% cốt sợi thép kết hợp với giảm 35% khối lượng thép đai khu vực vùng neo (tương đương giảm khoảng 15% tồn khối lượng thép vùng neo) chi phí xây dựng tăng khoảng 13% - Có thể sử dụng quy trình hành, mơ hình tính tốn, cơng thức thực nghiệm để tính tốn thiết kế vùng đầu dầm dầm BTCT DƯL chữ I vùng cầu dầm hộp BTCT DƯL - Với quy trình hành, dùng phương pháp phân tích kết cấu theo quy trình hành chưa thể xác định làm việc hàm lượng cần thiết cốt sợi thép Do vậy, cần thiết phải tiến hành nghiên cứu thực nhiệm hàm lượng cốt sợi thép để đưa vào quy trình quy phạm Việt Nam Kiến nghị Trang 85 Trong thời gian tới, phát triển nghiên cứu ứng dụng bê tông cốt sợi thép theo hướng sau:  Nghiên cứu phát triển loại bê tông cường độ siêu cao cốt sợi thép  Nghiên cứu sử dụng bê tông cốt sợi thép cho toàn kết cấu cầu BTCT DƯL, giảm giá thành cơng trình sử dụng cốt sợi thép  Phân tích ứng xử kết cấu chịu va chạm tải trọng lặp, ứng dụng cho công việc nâng cấp sửa chữa cầu cũ Trang 86 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Phùng Văn Lự - Vật liệu xây dựng- NXB GD 2001 [2] Trần Đức Nhiệm - Lý thuyết độ tin cậy tính tốn cơng trình - Bài giảng cao học [3] Nguyễn Thúc Tuyên - Tiêu chuẩn bê tông trộn sẵn - Đặc san Công nghiệp Việt Nam số tháng 3/2004 [4] TS Nguyễn Ngọc Long- Vật liệu bê tông polyme - Cốt sợi khả ứng dụng sửa chữa tăng cường cầu bê tông cốt thép - Tập san Công nghiệp Bê tông Việt Nam 3-2004 [5] Nguyễn Văn Chánh - Luận án tiến sĩ “Bê tông nhẹ sở xi măng sợi hữu cho cơng trình xây dựng đất yếu vùng đồng sông Cửu Long”, 2002 [6] TS Trần Bá Việt - Nghiên cứu chế tạo bê tông chất lượng cao sử dụng cốt sợi nhân tạo dùng cho cơng trình Hà Nội - 5/2007 [7] Tiêu chuẩn kỹ thuật cơng trình giao thơng vận tải Tập VIII - Tiêu chuẩn Thiết kế Cầu 22TCN272-05 [8] Nguyễn Viết Trung - Nguyễn Ngọc Long - Phạm Duy Anh - Bê tông cốt sợi thép - NXB Xây dựng - 2004 [9] Nguyễn Thanh Bình - Luận án tiến sĩ “Nghiên cứu chế tạo bê tông cốt sợi thép cường độ chịu uốn cao điều kiện Việt Nam”, 155 trang, 2007 [10] Trần Bá Việt, Nguyễn Thanh Bình ctv - Nghiên cứu chế tạo bê tông chất lượng cao sử dụng cốt sợi nhân tạo dùng cho cơng trình Hà Nội Đề tài mã số TC–ĐT/5-04-03, 494 trang, 2008 [11] Viện KHCN GTVT - Nghiên cứu chế tạo bê tông cốt sợi dùng cho cơng trình giao thơng Việt Nam - Hà Nội, 2007 [12] Nguyễn Trung Hòa - Thiết kế kết cấu bê tông bê tông cốt thép NXB XD, 2006 [13] Ngô Thế Phong - Kết cấu bê tông cốt thép - NXB KHKT, 1998 [14] ASTM A820-01, Standard Specification for Steel Fibers for FiberReinforced Concrete Trang 87 [15] The 3rd ACF/VCA International Conference - Sustainable concrete technology and structures in local climate and environment conditions 11/2008 [16] F.de Larrard - Module materiau béton et armatures , Paris, 1993 [17] Bernhard R.Maidl - Steel fibre Reinforced concrete - Berlin, 1995 [18] Yu Cheng Kan, Kuang Chih Pei, Hsuan chih Yang- An Investigation on Toughness of Steel Fiber reinforced Heavy Concrete - Transactions of the 17th International conference on Structural Mechanics in Reactor Technology Prague Czech Republic - August 17-22, 2003 [19] Piti Sukontasukkul - Toughness Evaluation of Steel and Polypropylene Fibre reinforced concrete beams under bending-Assistant Professor Department of civil engineering - Faculty of Engineering King Mongkut’s Institute of technology-North Bangkok-7-8/2004 [20] D.O Al-Ghamdy, J.K Wight and Tons - Flexural Toughness of steel fiber reinforced concrete - Michigan USA-1997 [21] Jean Francois Trottier and Nemkumar Banthia - Toughnees Characterization of steel fiber reinforced concrete - Journal of materials in civil engineering, May 1994 [22] ASTM C1018-97 - Standard Test Method for Flexural Toughness and First-Crack Strength of Fiber-Reinfoced concrete (Using Beam With Third Point Loading) [23] Dr Edward, G Nawy, P.E., C Eng - Fundamentals of High strength High performance concrete - New Jersey USA,1996 [24] Structural Behavior Utra-High Performance concrete prestressed IGirders - USA, 8/2006 [25] ACI 544 - 2R - 99 - Measurement of properties of Fiber Reinforced Concrete [26] RILEM TC162 TDF: Test and design Methods for steel FiberReinforced concrete [27] Yong zhi Lin - Tragverhalten von stahfaserbeton, Berlin 1999 [28] Stahlbeton - und spannbetontragwerke nach DIN 1045, 7/2001 Trang 88 [29] Job Thomas - Mechanical Properties of Steel Fiber - Reinforced Concrete, Journal of Materials in CIVIL Engineering ASCE, 5/2007 [30] Pierre Rossi - Les Bétons de fibres métalliques, Paris, 1998 [31] Petra Schumacher Cornelis R Braam Joost C Walraven - Compressive Behavior of Steel Fibre Reinforced High Strength Concrete - University of Technology Nethrlands [32] Ali R.Khaloo, Majid Afshari- Flexural Behavior of small Steel Fibre Reinforced Concrete slabs - Iran, 9/3/2004 [33] Ultra High Performance Fibre-Reinforced Concretes - AFGC Groupe de travail BFUP [34] M W Hyer - Stress Analysis of fiber-Reinforced Materials - 1998 [35] Dr Ing manred Teutsch-iBMB TU Braunschweig - Technische Regeln fur Stahlfaserbeton - Der Entwurf der Richtlinie des DafStb Bochum 18/9/2007 [36] Tayfun Uygunnoglu - Investigation of microstucture and Flexural Behavior of Steel Fibre Reinforced Concrete – Turkey, 4/2008 [37] JAO Barros - Post-cracking Behavior of Steel Fibre Reinforced Concrete - Portugal , 2/2004 [38] M.S Concrete technology (Theory and practice)- New Delhi, 2003 [39] F.N Rabinovich - Concretes With Dispersed Reinfocement- Oxford &IBH Publishing co PVT LTD New Delhi, Bombay, Calcuta, India, 1995 [40] High performance concrete structural designers’ guide-USA, 3/2005 [41] Konig, Holschemacher - Dehn-Faserbeton - Leipziig-Germani, 11/2002 [42] AFGC- Betons fibres a ultra-hautes performances - Ultra High performance fibre-reinforced concretes, 2/2002 [43] Robinson B., Tawfiq K.- Post-Tensioned Bridge Girder Anchorage Zone Enhancement with Fiber Reinforced Concrete (FRC) - April 29, 2008 Trang 89 [44] Romualdi J.P, and Baston G.B - Mechanics of crack Arrest in Concrete - Proceedings, ASCE J Engineering Mechanics Division Vol 89 EM3, pp 147-168, 1963 [45] Romualdi J.P, and Mandel J.A - Tensile strength of concrete Affected by Uniformly Distributed Closely Spaced Short Lengths of Wire Reinforcement - Proceedings, ACI Journal Vol 61 No 6, American Concrete Institute, Detroit, pp 657-671, 1964 [46] Shah S.P, and Rangan B.V - Fiber reinforced concrete Properties Proceedings, ACI Journal Vol 68 No 2, American Concrete Institute, Detroit, pp 126-135, 1971 [47] Swamy R.N - Fiber reinforcement of Cement and Concrete - J Material and structures Vol No 45, pp 235-254, 1975 [48] Nawy E.G, and Neuwerth G.E, and Phillips C.J - Behavior of fiber Glass reinforced Concrete Beams - Proceedings, ASCE J Structural Division Vol 97 No ST9, Paper 8353, pp 2203-2215, 1971 [49] Nawy E.G, and Neuwerth G.E - Fiber Glass reinforced Concrete Slaps and Beams - Proceedings, ASCE J Structural Division Vol 103 No ST2, pp 421-440, 1971 [50] Japan Society of civil engineers JSCE-SF4 - Method of test for flexural strength and flexural toughness of fiber reinforced concrete - JSCE Standard for Test methods of Fiber reinforced Concrete, pp 45-51, 1984 [51] 6th International Symposium on High Strength/High Performance Concrete Trang 90