Nghiên cứu ứng xử uốn của dầm bê tông cường độ cao cốt polyme gia cường sợi (FRP) để xây dựng cầu ở Campuchia

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU A f Diện tích tiết diện cốt FRP, mm2 A f, bar Diện tích tiết diện một thanh FRP, mm2 A f, min Diện tích tiết diện của cốt FRP tối thiểu cần thiết để đảm bảo cấu kiệ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

CHENG POR ENG

NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ UỐN CỦA DẦM BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ CAO CỐT POLYME GIA CƯỜNG SỢI (FRP)

ĐỂ XÂY DỰNG CẦU Ở CAMPUCHIA

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI - 11- 2017

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

CHENG POR ENG

NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ UỐN CỦA DẦM BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ CAO CỐT POLYME GIA CƯỜNG SỢI (FRP)

ĐỂ XÂY DỰNG CẦU Ở CAMPUCHIA

Ngành: Kỹ thuật Xây dựng công trình đặc biệt

Mã số : 62.58.02.06

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1 GS.TS Nguyễn Viết Trung

2 PGS.TS Nguyễn Thị Tuyết Trinh

HÀ NỘI – 11 - 2017

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan: Luận án “Nghiên cứu ứng xử uốn của dầm bê tông cường

độ cao cốt polyme gia cường sợi (FRP) để xây dựng cầu ở Campuchia” là công

trình nghiên cứu của riêng tôi

Các số liệu, kết quả nghiên cứu và kết luận trong luận án này là trung thực

và chưa được công bố trong bất kỳ công trình nào từ trước cho tới nay

Cheng Por Eng

Tác giả xin chân thành cảm ơn phòng Đào tạo sau đại học trường Đại học Giao thông vận tải đã giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập tại trường

Tác giả xin trân trọng cảm ơn Phòng thí nghiệm Vilas 047 Trường Đại học Giao thông vận tải đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi thực hiện các nghiên cứu thực nghiệm

Cuối cùng tôi bày tỏ cảm ơn đến gia đình và người thân đã động viên, giúp

đỡ tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu

Hà Nội, ngày 02 tháng 11 năm 2017

Tác giả

Cheng Por Eng

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC BẢNG vii

DANH MỤC HÌNH VẼ x

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT xiii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU xiv

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ XÂY DỰNG CẦU Ở CAMPUCHIA VÀ ỨNG DỤNG BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ CAO CỐT POLYME GIA CƯỜNG SỢI (FRP) 7

1.1 Tổng quan về xây dựng cầu ở Campuchia 7

1.1.1 Điều kiện tự nhiên của Campuchia 7

1.1.2 Mạng lưới giao thông vận tải của Campuchia 10

1.1.3 Tình hình sử dụng bê tông cường độ cao trong xây dựng cầu ở Campuchia 12

1.1.4 Bảo dưỡng sửa chữa và tình trạng hư hỏng của mạng lưới giao thông ở Campuchia 15

1.2 Tổng quan về bê tông cường độ cao (BTCĐC) 19

1.2.1 Giới thiệu về bê tông cường độ cao 19

1.2.2 Ứng dụng và phân loại bê tông cường độ cao 20

1.3 Tổng quan về cốt polyme gia cường sợi (FRP) 21

1.3.1 Giới thiệu vật liệu FRP 21

1.3.2 Lịch sử phát triển và tình hình áp dụng cốt FRP 22

1.3.3 Các Tiêu chuẩn thiết kế kết cấu bê tông cốt FRP 26

1.4 Đặc điểm tính chất và cách sản suất của vật liệu FRP 27

1.4.1 Cách sản xuất của vật liệu FRP 27

1.4.2 Đặc điểm tính chất của vật liệu FRP 30

1.4.3 Ứng xử phụ thuộc vào thời gian 35

1.4.4 Dính bám của cốt FRP với bê tông 36

1.5 Các nghiên cứu ứng xử uốn của dầm bê tông cốt FRP 38

1.5.1 Các nghiên cứu trên thế giới 38

1.5.2 Các nghiên cứu ở Việt Nam 41

1.6 Xác định vấn đề nghiên cứu của luận án 42

1.7 Kết luận chương 1 43

CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT VỀ PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ KẾT CẤU BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ CAO CỐT POLYME GIA CƯỜNG SỢI (FRP) 44

2.1 Thiết kế kết cấu bê tông cốt FRP chịu uốn theo TTGH cường độ 44

2.1.1 Các giả thiết cơ bản khi thiết kế 45

2.1.2 Mô hình vật liệu của bê tông cường độ cao và cốt FRP 45

2.1.3 Hệ số sức kháng ϕ 52

2.1.4 Dạng phá hoại của cấu kiện chịu uốn 54

2.1.5 Mô men uốn danh định 57

2.2 Thiết kế kết cấu bê tông cốt FRP chịu cắt theo TTGH cường độ 57

2.2.1 Cường độ chống cắt danh định của bê tông Vc 58

2.2.2 Sức kháng cắt do cốt FRP, Vf 58

2.3 Thiết kế kết cấu bê tông cốt FRP theo TTGH sử dụng 59

2.3.1 Kiểm soát vết nứt 59

2.3.2 Kiểm soát độ võng 64

2.4 Thiết kế kết cấu theo TTGH mỏi 64

2.5 Trình tự kiểm toán các loại mặt cắt dầm bê tông cốt FRP và cốt thép 66

2.5.1 Trình tự kiểm toán mặt cắt bê tông chỉ sử dụng cốt FRP chịu kéo 66

2.5.2 Kiểm toán mặt cắt bê tông sử dụng cốt FRP kết hợp với cốt thép ở vùng chịu kéo 70

2.5.3 Kiểm toán mặt cắt bê tông sử dụng cốt FRP ở vùng chịu kéo và cốt thép ở vùng chịu nén 74

2.6 Kết luận chương 2 76

CHƯƠNG 3: THÍ NGHIỆM UỐN DẦM BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ CAO CỐT POLYME GIA CƯỜNG SỢI THỦY TINH (GFRP) 77

3.1 Mở đầu 77

3.2 Công tác chuẩn bị mẫu thí nghiệm 77

3.2.1 Chuẩn bị ván khuôn và buộc cốt GFRP 77

3.2.2 Vật liệu 78

3.2.3 Chi tiết dầm thí nghiệm 80

3.3 Tiêu chuẩn thí nghiệm 81

3.3.1 Tiến hành lắp đặt thiết bị đo biến dạng vào cốt chịu kéo GFRP 81

3.3.2 Công tác đổ và bảo dưỡng bê tông dầm 82

3.3.3 Phương pháp tiến hành thí nghiệm 83

3.4 Phân tích kết quả thí nghiệm 89

3.4.1 Các hình dạng vết nứt của dầm thí nghiệm 89

3.4.2 Các dạng phá hoại của dầm thí nghiệm 90

3.5 Đánh giá kết quả thí nghiệm 90

3.5.1 So sánh kết quả thí nghiệm với kết quả tính toán 90

3.5.2 Đánh giá độ mở rộng vết nứt và độ võng 92

3.6 Kết luận chương 3 94

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ KẾT CẤU BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ CAO CỐT POLYME GIA CƯỜNG SỢI (FRP) 96

4.1 Đặt vấn đề 96

4.2 Các căn cứ thiết kế 97

4.2.1 Các Tiêu chuẩn thiết kế 97

4.2.2 Kết cấu cầu 97

4.2.3 Các số liệu và đặc tính dầm tính toán 98

4.2.4 Số liệu và cấu tạo bản mặt cầu 99

4.3 Thiết kế thử nghiệm dầm cầu 100

4.3.1 So sánh hiệu quả của dầm theo các loại cốt 100

4.3.2 Xác định tỷ lệ h/L tối thiểu của dầm theo các loại cốt 103

4.3.3 Chọn tỷ lệ (h/L) để tìm ra hàm lượng cốt FRP 116

4.4 Thiết kế thử nghiệm bản mặt cầu của dầm chữ T 122

4.4.1 Kết quả tính toán nội lực bản mặt cầu 122

4.4.2 So sánh bản mặt cầu sử dụng cốt thép, cốt GFRP và cốt CFRP 124

4.5 Kết luận chương 4 125

KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ 127 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ ĐÃ CÔNG BỐ a TÀI LIỆU THAM KHẢO b PHỤ LỤC (QUYỀN 2) l

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Lượng mưa trung bình hàng năm 9

Bảng 1.2 Phương thức mạng lưới giao thông của Campuchia hiện nay 11

Bảng 1.3 Chiều dài mạng lưới đường Bộ Campuchia tính đến năm 2014 11

Bảng 1.4 Kết cấu được khảo sát năm 2012 12

Bảng 1.5 Các loại cầu được khảo sát trong dự án [93] 12

Bảng 1.6 Phân loại bê tông theo cường độ chịu nén 13

Bảng 1.7 Thống kê sự phát triển của ngành cầu ở Campuchia 13

Bảng 1.8 Tổng chiều dài thiệt hại của mạng lưới giao thông Campuchia năm 2011 18

Bảng 1.9 Danh sách cầu bị hư hại (2011) 18

Bảng 1.10 Tỷ trọng cốt FRP và cốt thép (g/cm3) 32

Bảng 1.11 Hệ số đặc trưng việc giãn nở nhiệt của cốt thép và cốt FRP 32

Bảng 1.12 Các chỉ tiêu cơ lý yêu cầu của vật liệu FRP [22] 33

Bảng 2.1 Hệ số giảm môi trường theo điều kiện tiếp xúc của cấu kiện 52

Bảng 2.2 Bề dày tối thiểu được khuyến nghị của dầm/bản theo ACI 440 61

Bảng 2.3 Giá trị của kb 63

Bảng 2.4 Giới hạn ứng suất phá hoại từ biến của cốt FRP 65

Bảng 3.1 Vật liệu được sử dụng 78

Bảng 3.2 Thành phần (1 m3) cấp phối bê tông cường độ cao (2456,24 kg/m3) 78

Bảng 3.3 Kết quả thí nghiệm mẫu thử ở tuổi bê tông 7 ngày 79

Bảng 3.4 Kết quả thí nghiệm mẫu thử ở tuổi bê tông 28 ngày 80

Bảng 3.5 Các thông số dự kiến kết quả thí nghiệm 80

Bảng 3.6 Số liệu kết quả thí nghiệm của các dầm 85

Bảng 3.7 Tải trọng gây nứt và tải trọng phá hoại 90

Bảng 3.8 Biến dạng của bê tông chịu nén và cốt GFRP chịu kéo khi bị phá hoại 91

Bảng 3.9 Quan hệ tải trọng – độ võng (mm) 92

Bảng 3.10 Kết quả tính toán khi  = 0,55 93

Bảng 3.11 Kết quả tính toán tải trọng giới hạn phù hợp 94

Bảng 3.12 So sánh kết quả dầm thí nghiệm (NCS) với kết quả khác 94

Bảng 4.1 Nội lực giữa dầm (L=12 m) 100

Bảng 4.2 Bố trí các loại cốt cho xấp xỉ bằng nhau 101

Bảng 4.3 Kết quả tính toán của dầm theo các loại cốt 101

Bảng 4.4 So sánh hiệu quả các loại cốt cho dầm cầu 102

Bảng 4.5 Kết quả tính toán của dầm sử dụng cốt thép (chiều dài thay đổi) 104

Bảng 4.6 Kết quả tính toán của dầm sử dụng cốt GFRP (chiều dài thay đổi) 104

Bảng 4.7 Kết quả tính toán của dầm sử dụng cốt CFRP (chiều dài thay đổi) 105

Bảng 4.8 Kết quả tính toán của dầm sử dụng cốt Hybrid (chiều dài thay đổi) 106

Bảng 4.9 Kết quả của 4 loại dầm thay đổi theo chiều dài 109

Bảng 4.10 Kết quả tính toán của dầm sử dụng cốt thép (chiều cao thay đổi) 110

Bảng 4.11 Kết quả tính toán của dầm sử dụng cốt GFRP (chiều cao thay đổi) 111

Bảng 4.12 Kết quả tính toán của dầm sử dụng cốt CFRP (chiều cao thay đổi) 112

Bảng 4.13 Kết quả tính toán của dầm sử dụng cốt Hybrid (chiều cao thay đổi) 112

Bảng 4.14 Kết quả của 3 loại dầm thay đổi theo chiều cao dầm 115

Bảng 4.15 Bố trí các loại cốt cho mặt cắt dầm 117

Bảng 4.16 Kết quả tính toán của các loại dầm (cốt vừa đủ) 119

Bảng 4.17 Bố trí và tính toán thử tỷ lệ cốt GFRP và cốt thép 120

Bảng 4.18 Kết quả tính toán của dầm Hybrid 121

Bảng 4.19 Số liệu nội lực trong bản mặt cầu 122

Bảng 4.20 Bố trí cốt thép và cốt GFRP cho 1m dài bản mặt cầu 124

Bảng 4.21 Khả năng chịu lực của bản mặt cầu sử dụng cốt thép, cốt GFRP và cốt CFRP 124

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Bản đồ địa hình và mạng lưới giao thông Campuchia 7

Hình 1.2 Biểu đồ lượng mưa và nhiệt độ hàng tháng của Campuchia 9

Hình 1.3 Bản đồ vị trí của đường ưu tiên trong nghiên cứu năm (2013) 11

Hình 1.4 Cầu Kizuna 14

Hình 1.5 Cầu Chroy Changvar 14

Hình 1.6 Cầu Neak Loeung 14

Hình 1.7 Cầu Preak Tameak 15

Hình 1.8 Cầu Preak Kdam 15

Hình 1.9 Cầu Koh Poh 15

Hình 1.10 Chí phí bảo dưỡng cầu đường hàng năm của Campuchia 16

Hình 1.11 Cầu bê tông cốt thép (Kampongcham) 17

Hình 1.12 Cầu giàn bê tông cốt thép (Kom pot) 17

Hình 1.13 Cầu giàn bê tông cốt thép (NR.6) 18

Hình 1.14 Bố trí cốt GFRP và CFRP cho mặt cầu Wotton (Canada) 24

Hình 1.15 Bố trí cốt GFRP và CFRP cho mặt cầu Morristown (USA) 25

Hình 1.16 Thi công cầu qua sông Trout, Alaska Canada Highway 25

Hình 1.17 Thi công cầu Crow Creek Bridge, City of Bettendorf Iowa 25

Hình 1.18 Cầu dầm T cốt CFRP tại sông Rouge ở Southfield, Michigan, USA 25

Hình 1.19 Thi công đường tại công trình 136 Hồ Tùng Mậu - Hà Nội 26

Hình 1.20 Quá trình sản xuất cốt FRP 30

Hình 1.21 Khả năng chịu lực của vật liệu FRP (ACI 440.1R-06) 31

Hình 1.22 Bề mặt hình học của cốt FRP 31

Hình 1.23 Truyền lực qua sự dính bám của cốt FRP 36

Hình 2.1 Biểu đồ ứng suất-Biến dạng của bê tông chịu nén 46

Hình 2.2 Biểu đồ khối ứng suất của bê tông thường 49

Hình 2.3 Biểu đồ khối ứng suất của bê tông cường độ cao 49

Hình 2.4 Ứng suất biến dạng của cốt GFRP và cốt thép 51

Hình 2.5 Mô hình tính toán hệ số ϕ trên cơ sở đề suất (ACI 440.1R-06, AASHTO 2009) với hệ số α1 =0,75 của BTCĐC 53

Hình 2.6 Phân bố ứng suất – biến dạng ở điều kiện cân bằng (εc=εcu, εf = εfu) 54

Hình 2.7 Phân bố ứng suất – biến dạng ở điều kiện phá hoại vùng bê tông chịu nén (εc=εcu, εf ≤ εfu) 54

Hình 2.8 Phân bố ứng suất – biến dạng ở điều kiện kéo đứt cốt FRP (εc≤εcu,εf=εfu) 55

Hình 2.9 Sự phân bố ứng suất và biến dạng đàn hồi 65

Hình 2.10 Phân bố ứng suất – biến dạng trong mặt cắt có cốt đơn FRP và thép 71

Hình 2.11 Phân bố ứng suất – biến dạng trong mặt cắt có cốt kép FRP và thép 74

Hình 3.1 Chuẩn bị ván khuôn và buộc cốt GFRP 78

Hình 3.2 Máy thí nghiệm nén xác định cường độ bê tông mẫu (150x300) mm 79

Hình 3.3 Mẫu thử bê tông hình trụ (150 x 300) mm 79

Hình 3.4 Sơ đồ mặt cắt ngang dầm thí nghiệm GFRP 80

Hình 3.5 Sơ đồ thí nghiệm dầm 81

Hình 3.6 Biểu đồ bố trí thiết bị đo 81

Hình 3.7 Tiến hành gắn cảm biến (Strain Gauges) vào cốt GFRP 82

Hình 3.8 Tiến hành kiểm tra thiết bị đo (Strain Gauges) 82

Hình 3.9 Công tác bảo dưỡng bê tông dầm 83

Hình 3.10 Công tác trộn bê tông 83

Hình 3.11 Tiến hành lắp đặt thiết bị đo biến dạng (Strain Gauges) trên bề mặt bê tông và thiết bị đo chuyển vị LVDTs 83

Hình 3.12 Hệ thống khung gia tải (Phòng thí nghiệm Vilas 047 ĐHGTVT) 84

Hình 3.13 Lắp đặt dầm thí nghiệm 84

Hình 3.14 Biểu đồ quan hệ tải trọng – biến dạng của cốt GFRP 87

Hình 3.15 Biểu đồ quan hệ tải trọng – độ võng của dầm 88

Hình 3.16 Dạng phá hoại của dầm BGa-10-2 89

Hình 3.17 Dạng phá hoại của dầm BGb-10-2 89

Hình 3.18 Dạng phá hoại của dầm BGc-10-2 89

Hình 4.1 Sơ đồ mặt cắt ngang cầu 97

Hình 4.2 Tiết diện mặt cắt ngang dầm 99

Hình 4.3 Diện tích tiếp xúc và truyền lực của bánh xe lên mặt cầu 100

Hình 4.4 Biểu đồ quan hệ Mu/ϕMn – Chiều dài (L) của các dầm 107

Hình 4.5 Biểu đồ quan hệ ∆/∆allow – Chiều dài (L) của các dầm 108

Hình 4.6 Biểu đồ quan hệ w/wallow – Chiều dài (L) của các dầm 109

Hình 4.7 Biểu đồ quan hệ Mu/ϕMn – Chiều cao (h) của các dầm 113

Hình 4.8 Biểu đồ quan hệ ∆/∆allow – Chiều cao (h) của các dầm 114

Hình 4.9 Biểu đồ quan hệ w/wallow – Chiều cao (h) của các dầm 115

Hình 4.10 Bố trí cốt thép thường cho dầm Gthép (sử dụng cốt thép) 118

Hình 4.11 Bố trí cốt GFRP cho dầm GGFRP 118

Hình 4.12 Bố trí cốt CFRP dầm GCFRP 119

Hình 4.13 Bố trí cốt GFRP và thép cho dầm GHybrid 119

Hình 4.14 Bố trí cốt thép thường cho bản mặt cầu 122

Hình 4.15 Bố trí cốt GFRP cho bản mặt cầu 123

Hình 4.16 Bố trí cốt CFRP cho bản mặt cầu 123

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

I TIẾNG VIỆT

TCXDVN : Tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam

TTGH : Trạng thái giới hạn

TTGH CĐ : Trạng thái giới hạn cường độ

TTGH SD : Trạng thái giới hạn sử dụng

II TIẾNG ANH

AASHTO : American Association of State Highway and Transportation Officials

(Hiệp hội các viên chức đường bộ và vận tải Mỹ) ACI : American Concrete Institute (Viện Bê tông Mỹ)

AFRP : Aramid Fiber-Reinforced Polymer (Cốt polyme gia cường sợi

Aramid) CFRP : Carbon Fiber-Reinforced Polymer (Cốt polyme gia cường sợi

Cacbon) FRP : Fiber-Reinforced Polymer (Cốt polymer gia cường sợi)

GFRP : Glass Fiber-Reinforced Polymer (Cốt polyme gia cường sợi Thủy

tinh) HYBRID : Bố trí cốt GFRP kết hợp với cốt thép

JSCE : Japan Society of Civil Engineers (hội Kỹ sư Xây dựng Nhật)

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU

A f Diện tích tiết diện cốt FRP, (mm2)

A f, bar Diện tích tiết diện một thanh FRP, (mm2)

A f, min Diện tích tiết diện của cốt FRP tối thiểu cần thiết để đảm bảo cấu kiện uốn

không bị phá hỏng khi bị nứt, (mm2)

A f, st Diện tích tiết diện cốt FRP chịu co ngót và nhiệt độ tính trên mét dài, (mm2)

A fv Diện tích tiết diện cốt FRP chịu cắt bên trong khoảng cách s, (mm2)

A fv, min Diện tích tiết diện cốt FRP chịu cắt tối thiếu bên trong khoảng cách s, (mm2)

A s Diện tích cốt thép chịu kéo, (mm2)

a Chiều cao biểu đồ khối ứng suất chữ nhật tương đương, (mm)

b Chiều rộng mặt cắt ngang tiết diện chữ nhật, (mm)

b w Chiều rộng của sườn dầm, (mm)

C E Hệ số giảm môi trường đối với các loại sợi và điều kiện phơi lộ khác nhau

c Khoảng cách từ thớ chịu nén tại biên đến trục trung hoà, (mm)

c b Khoảng cách từ thớ chịu nén tại biên đến trục trung hoà ở điều kiện cân bằng

E c Mô đun đàn hồi của bê tông, (MPa)

E f Mô đun đàn hồi thiết kế hay mô đun đàn hồi được bảo đảm của cốt FRP được

xác định bằng các mô đun trung bình của nhóm mẫu thử (E f =E f,ave ), (MPa)

E f, ave Mô đun đàn hồi trung bình của cốt FRP, (MPa)

E s Mô đun đàn hồi của cốt thép, (MPa)

f c ' Cường độ chịu nén quy định của bê tông, (MPa)

'

c

f

Căn bậc hai của cường độ chịu nén quy định của bê tông, (MPa)

f f Ứng suất trong cốt FRP chịu kéo, (MPa)

f fb Cường độ của phần uốn cong của cốt đai FRP, (MPa)

f fe Ứng suất trong cốt có thể triển khai cho chiều dài chôn le, (MPa)

f fu Cường độ kéo thiết kế của cốt FRP, có xét đến sự giảm do môi trường sử

dụng, (MPa)

f * fu Cường độ kéo được đảm bảo của cốt FRP, được xác định bằng cường độ kéo

trung bình của nhóm mẫu thử trừ ba lần độ lệch chuẩn (f* fu =f fu,ave – 3σ), (MPa)

f fv Cường độ chịu kéo của cốt FRP khi thiết kế chịu cắt, được lấy từ giá trị nhỏ

nhất trong các giá trị (cường độ kéo thiết kế f fu và cường độ kéo của phần uốn

cong của cốt đai FRP f fb hoặc ứng suất tương ứng với 0.004E f), (MPa)

f fr Ứng suất yêu cầu của cốt, (MPa)

f r Cường độ kéo uốn (mô đun gãy), (MPa)

f s Ứng suất cho phép trong cốt thép, (MPa)

f u,ave Cường độ kéo trung bình của nhóm mẫu thử, (MPa)

f y Cường độ kéo chảy của cốt thép thường, (MPa)

h Chiều cao toàn thể của cấu kiện chịu uốn, (mm)

I Mô men quán tính, (mm4)

I cr Mô men quán tính của tiết diện đã biến đổi do nứt, (mm4)

I e Mô men quán tính hữu hiệu, (mm4)

I g Mô men quán tính của tiết diện nguyên, (mm4)

k Tỷ số của khoảng cách từ thớ chịu nén ngoài cùng đến trục trung hòa và đến

cốt chịu kéo

k b Hệ số phụ thuộc do dính kết

l bhf Chiều dài neo cơ bản của móc FRP Tiêu chuẩn chịu kéo, (mm)

l d Chiều dài neo triển khai, (mm)

l e Chiều dài chôn của cốt gia cường, (mm)

l thf Chiều dài của phần đuôi sau móc ngoài của cốt FRP, (mm)

M a Mô men lớn nhất trong cấu kiện ở giai đoạn tính toán độ võng, (N.mm)

M cr Mô men gây nứt, (N.mm)

M n Mô men uốn danh định (khả năng chịu uốn danh nghĩa), (N.mm)

M s Mô men do tải trọng dài hạn, (N.mm)

M u Mô men có nhân hệ số (hay mô men do tải trọng cực hạn gây ra) tại tiết diện,

(N.mm)

n f Tỉ số giữa mô đun đàn hồi của cốt FRP so với mô đun đàn hồi của bê tông

r b Bán kính uốn phía trong cốt FRP, (mm)

s Khoảng cách giữa các cốt đai hay bước của cốt đai xoắn liên tục và khoảng

cách giữa các cốt FRP dọc, (mm)

T g Nhiệt độ chuyển hóa thủy tinh, (0C)

u Ứng suất dính trung bình tác động lên bề mặt của cốt FRP, (MPa)

V c Sức kháng cắt danh định của bê tông, (N)

V f Sức kháng cắt cung cấp bởi cốt đai FRP, (N)

V n Sức kháng cắt danh định của tiết diện, (N)

V s Sức kháng cắt cung cấp bởi cốt đai thép, (N)

V u Lực cắt có nhân hệ số (hay lực cắt tính toán) tại tiết diện, (N)

w Bề rộng vết nứt lớn nhất, (mm)

Y b Trọng tâm tới đáy dầm (khoảng cách từ trục trung hòa đến thớ chịu kéo ngoài

cùng, (mm)

α Góc nghiêng của cốt đai hoặc cốt đai xoắn

α 1 Tỉ số giữa ứng suất trung bình của biểu đồ khối ứng suất chữ nhật tương đương

so với f’c

α L Hệ số giãn nở nhiệt theo phương dọc, (l/0C)

α T Hệ số giãn nở nhiệt theo phương ngang, (1/°C)

β Tỷ số giữa khoảng cách từ trục trung hòa đến cốt chịu kéo tại biên so với

khoảng cách từ trục trung hòa đến tâm của cốt chịu kéo

β 1 Hệ số khối ứng suất

β d Hệ số giảm được sử dụng trong tính toán độ võng

ε c Biến dạng của bê tông

ε cu Biến dạng cực hạn của bê tông khi chịu nén

ε f Biến dạng của cốt FRP

ε fu Biến dạng giới hạn kéo đứt của cốt FRP

ε fu * Biến dạng khi đứt được đảm bảo của cốt FRP, xác định bằng biến dạng trung

bình lúc đứt của nhóm mẫu thử trừ đi 3 lần độ lệnh chuẩn (ε fu * = ε u, ave - 3σ),

(mm/mm)

ε u,ave Biến dạng trung bình lúc kéo đứt của nhóm các mẫu thử

η Tỷ số của khoảng cách từ cốt chịu nén tại biên đến trọng tâm cốt chịu kéo (d)

với chiều cao toàn thể của cấu kiện chịu uốn (h)

λ Hệ số nhân cho độ võng dài hạn bổ sung

ξ Hệ số phụ thuộc vào thời gian của tải trọng (tác dụng) dài hạn

ρ fv Hàm lượng cốt FRP chịu cắt

ρ f,ts Hàm lượng cốt FRP do nhiệt độ và co ngót

ρ min Hàm lượng cốt thép tối thiểu

ρ s Hàm lượng cốt thép chịu kéo

σ Độ lệch chuẩn của mẫu thí nghiệm

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Campuchia là một nước đang phát triển, cơ sở hạ tầng giao thông còn nhiều hạn chế, nhu cầu xây dựng và hiện đại hóa cơ sở hạ tầng giao thông nói chung, các công trình cầu nói riêng đang trở nên thời sự và cấp bách

Cầu bê tông cốt thép với ưu điểm thi công đơn giản, giá thành thấp, tận dụng được vật liệu địa phương, chiếm một tỷ lệ lớn trong hệ thống các công trình cầu

đã và đang xây dựng trên thế giới nói chung, Campuchia nói riêng Những năm qua, ảnh hưởng của khí hậu cực đoan, các hư hỏng liên quan đến hiện tượng ăn mòn cốt thép ở khu vực ven biển, cầu cảng đã được phát hiện và trở thành vấn đề quan tâm trên phạm vi toàn thế giới trong đó có Campuchia

Xu hướng tìm vật liệu mới để thay thế cho một phần hoặc toàn bộ cốt thép

để chống ăn mòn cho những kết cấu cầu BTCT là rất cần thiết

Để chống ăn mòn ở cốt thép chúng ta đã áp dụng rất nhiều giải pháp khác nhau Ở Châu Âu, Mỹ, Nhật Bản …v.v đã nghiên cứu sử dụng vật liệu cốt polyme gia cường sợi (FRP) và chứng minh rằng nó là một giải pháp khả thi và kinh tế để thay thế cốt thép trong môi trường ăn mòn [22] và [62]

Cốt polyme gia cường sợi (FRP) có nhiều ưu điểm vượt trội so với cốt thép thường như cường độ chịu kéo cao, không bị ăn mòn có thể sử dụng lâu bền trong môi trường nước biển, nhẹ hơn cốt thép thường có kích thước tương đương, không

có từ tính

Cốt FRP có cường độ chịu kéo cao nên việc sử dụng kết hợp với bê tông cường độ cao (BTCĐC) là hợp lý về mặt kết cấu Bê tông cường độ cao cốt polyme gia cường sợi (FRP) sẽ tăng khả năng chống ăn mòn và tăng khả năng bền vững cho kết cấu công trình, có thời gian khai thác sử dụng lâu dài và ổn định từ

80 đến 100 năm [48], [51] với việc bảo trì tối thiểu

Cốt polyme gia cường sợi (FRP) đã bắt đầu được ứng dụng cho phần dầm và bản mặt cầu ô tô ở Bắc Mỹ để thay thế cho cốt thép từ những năm 1970 [17], [60], [61] Đến nay càng ngày càng nhiều ứng dụng của cốt polyme gia cường sợi (FRP) được nghiên cứu và phát triển tại Mỹ, Nga, Nhật Bản, Trung Quốc và nhiều nước khác trên thế giới

Ở các nước láng giềng với Campuchia như Việt Nam, Thái Lan … đã sản xuất thành công cốt polyme gia cường sợi (FRP) và đã đạt được các tính năng phù hợp thay thế cho cốt thép trong công trình xây dựng

Hiện nay, các Tiêu chuẩn tính toán, thiết kế kết cấu bê tông cốt polyme gia cường sợi (FRP) đã được ban hành bởi nhiều hiệp hội và quốc gia trên thế giới như: Hội bê tông Mỹ ACI, Canada, Anh, Pháp, Tây Ban Nha, Ý, Trung Quốc Các Tiêu chuẩn này được xây dựng dựa trên các nghiên cứu thực nghiệm được tiến hành với vật liệu và điều kiện cụ thể của từng nước [17], [19], [20], [21], [22], [23], [24], [25], [26], [33], [37], [39], [44], [45], [51] và [97] Do vậy khi áp dụng

ở Việt Nam hay Campuchia thì cần phải có những nghiên cứu kiểm chứng

Để đưa vật liệu này vào kết cấu cầu hiệu quả, cần thiết phải vừa nghiên cứu bằng lý thuyết dựa trên kinh nghiệm của các nước, vừa nghiên cứu trong điều kiện thực tiễn tại Việt Nam, Campuchia để xác định ứng xử của kết cấu khi chịu tải và phạm vi áp dụng của loại kết cấu này

Campuchia là đất nước đang phát triển, việc sử dụng cốt polyme gia cường sợi (FRP) ở ngành xây dựng cầu là mới, có rất ít các nghiên cứu về kết cấu bê tông cốt polyme gia cường sợi (FRP) theo hướng ứng dụng cho công trình cầu

Do vậy việc nghiên cứu ứng xử uốn của dầm bê tông cường độ cao cốt polyme gia cường sợi (FRP) theo hướng ứng dụng trong xây dựng cầu ở Campuchia là hướng nghiên cứu có tính khoa học và thực tiễn

Với những lý do nêu trên, nghiên cứu sinh lựa chọn đề tài “Nghiên cứu ứng

xử uốn của dầm bê tông cường độ cao cốt polyme gia cường sợi (FRP) để xây

dựng cầu ở Campuchia” để thực hiện luận án của mình

- Thiết kế một số dầm cầu nhịp đơn giản sử dụng cốt polyme gia cường sợi thủy tinh, cốt polyme gia cường sợi cacbon, cốt polyme gia cường sợi thủy tinh kết hợp với cốt thép để áp dụng tại Campuchia

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

* Đối tượng nghiên cứu:

- Bê tông cường độ cao;

- Các phương pháp tính toán, thiết kế dầm bê tông cường độ cao cốt polyme gia cường sợi (FRP);

- Thí nghiệm ứng xử uốn của dầm bê tông cường độ cao cốt polyme gia cường sợi thủy tinh (GFRP);

- Thiết kế dầm cầu bê tông cường độ cao cốt thép, cốt GFRP, cốt CFRP và cốt Hybrid

* Phạm vi nghiên cứu:

- Các phương pháp tính toán, thiết kế dầm BTCĐC cốt FRP chủ yếu dựa trên phương pháp theo các chỉ dẫn của AASHTO và ACI;

- Chỉ nghiên cứu, tính toán kết cấu bê tông cốt FRP không dự ứng lực;

- Cốt GFRP sử dụng trong thí nghiệm dầm được sản xuất tại Việt Nam;

- Kết quả thí nghiệm đo được gồm có: Quan hệ tải trọng – độ võng, quan hệ tải trọng – biến dạng của cốt GFRP, quan hệ tải trọng - biến dạng của bê tông vùng nén mà chưa đo được giới hạn bề rộng vết nứt và chưa xét đến các ảnh hưởng khác

4 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sinh sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm Nghiên cứu lý thuyết được thực hiện trên cơ sở tham khảo các tiêu chuẩn thiết kế của Mỹ, Nhật Bản, Châu Âu Phương pháp thực nghiệm được thực hiện

để đánh giá ứng xử uốn của dầm bê tông cốt FRP, kiểm chứng lý thuyết tính toán

và lý thuyết nguyên cứu đã đề xuất

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

- Ý nghĩa khoa học của luận án: Luận án nghiên cứu bê tông cường độ cao

sử dụng cốt FRP cho kết cấu dầm và bản mặt cầu bằng phương pháp kết hợp lý thuyết với thực nghiệm ứng xử uốn dầm bê tông cường độ cao cốt sợi thủy tinh

từ đó lựa chọn phương pháp tính toán phù hợp đối với kết cấu dầm bê tông cường

độ cao cốt polyme gia cường sợi (FRP)

- Ý nghĩa thực tiễn của luận án: Kết quả nghiên cứu của luận án có thể coi là tài liệu tham khảo tốt cho việc ứng dụng bê tông cường độ cao cốt polyme gia cường sợi (FRP) cho kết cấu cầu tại Campuchia, cần thiết cho sự phát triển hệ thống cầu ở Campuchia

6 Cấu trúc của luận án

Ngoài phần Mở đầu và phần Kết luận kiến nghị, luận án gồm 4 chương:

Chương 1 Tổng quan về xây dựng cầu ở Campuchia và ứng dụng bê tông cường độ cao cốt polyme gia cường sợi (FRP) Bao gồm các nội dung:

- Điều kiện tự nhiên, mạng lưới giao thông vận tải, tình hình sử dụng bê tông cường độ cao trong xây dựng cầu và tình trạng hư hỏng cầu ở Campuchia;

- Giới thiệu về cốt FRP, lịch sử phát triển và các tiêu chuẩn thiết kế kết cấu

bê tông cốt FRP;

- Giới thiệu về đặc điểm tính chất của cốt FRP;

- Các nghiên cứu ứng xử uốn của dầm bê tông cốt FRP trên thế giới, ở Việt Nam và ở Campuchia;

- Xác định vấn đề nghiên cứu của luận án

Chương 2 Lý thuyết về phương pháp thiết kế kết cấu bê tông cường độ cao cốt polyme gia cường sợi (FRP) Bao gồm các nội dung:

- Lý thuyết thiết kế kết cấu bê tông cốt FRP theo TTGH;

- Đề xuất trình tự kiểm toán mặt cắt dầm bê tông cốt FRP để áp dụng cho việc tính toán ở chương 3 và chương 4

Chương 3 Thí nghiệm uốn dầm bê tông cường độ cao cốt polyme gia cường sợi thủy tinh (GFRP) Bao gồm các nội dung:

- Thí nghiệm uốn 4 điểm mẫu dầm bê tông cường độ cao cốt GFRP;

- Quan sát ứng xử uốn của dầm bê tông cường độ cao cốt GFRP;

- Xác định các giá trị thực nghiệm: Tải trọng gây nứt; tải trọng phá hoại;

- Xác định các quan hệ giữa tải trọng thí nghiệm với: Độ võng; biến dạng của bê tông chịu nén và biến dạng kéo của cốt GFRP;

- So sánh kết quả thí nghiệm với kết quả tính toán dựa trên lý thuyết được đề xuất ở Chương 2

Chương 4 Thiết kế kết cấu bê tông cường độ cao cốt polyme gia cường sợi (FRP)

Chương này gồm các nội dung:

Thiết kế dầm cầu bê tông cường độ cao cốt thép, cốt GFRP, cốt CFRP và cốt Hybrid:

- Chọn tỷ lệ chiều cao/chiều dài dầm (h//L) bằng cách thay đổi chiều dài dầm hoặc chiều cao dầm;

- Cố định tỷ lệ (h/L) để tìm ra hàm lượng cốt FRP hợp lý, hoặc cố định hàm lượng cốt FRP để tìm ra tỷ lệ (h/L) hợp lý;

- Chọn tỷ lệ diện tích cốt thép/diện tích cốt FRP hợp lý cho dầm Hybrid;

- So sánh các phương án bố trí các loại cốt

Kết luận và kiến nghị

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ XÂY DỰNG CẦU Ở CAMPUCHIA VÀ ỨNG DỤNG BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ CAO CỐT POLYME GIA CƯỜNG SỢI (FRP)

1.1 Tổng quan về xây dựng cầu ở Campuchia

1.1.1 Điều kiện tự nhiên của Campuchia

1.1.1.1 Địa hình Campuchia

Thái Lan và Lào, phía Đông và Đông Nam giáp Việt Nam còn phía Tây giáp Thái Lan và giáp với biển ở phía Tây Nam Campuchia có 2572 km đường biên giới, trong đó với Việt Nam là 1228 km, với Thái Lan là 803 km và với Lào là 541 km cùng với 443 km bờ biển, đặc biệt có một hồ nước rất lớn (Tonle Sap) và có dòng sông dài nhất Đông Nam Á (sông Mê Kong) chảy qua [95]

Hình 1.1 Bản đồ địa hình và mạng lưới giao thông Campuchia

Hình 1.1, vùng đất Campuchia chủ yếu là đồng bằng ở giữa bao quanh bởi các dãy núi và cao nguyên Khoảng 75% diện tích là các lưu vực hồ Tonle Sap và vùng đất thấp sông Mê Kong

Sông Mê Kong chảy từ biên giới Campuchia - Lào xuống phía nam đi qua các tỉnh Stoeng Treng, Kratie, Kampong Cham và Phnom Penh sau đó chảy vào Việt-Nam Tại Phnom Penh, bốn dòng nước gặp nhau ở một điểm gọi là Chattomuk (bốn mặt) Sông Mê Kong chảy từ hướng đông bắc xuống vào Tonle Sap Chúng hợp lưu rồi phân thành 2 dòng nước là sông Mê Kong và sông Basak và chảy độc lập với nhau qua vùng đồng bằng và chảy xuống biển Đông Việt Nam

Campuchia chia ra 4 vùng, vùng đồng bằng (1), vùng xung quanh hồ Tonle Sap (2), vùng ven biển (3) và vùng cao nguyên (4)

đô Phnom Penh, tỉnh Kandal, Kampong Cham, Svay Rieng, Prey Veng và Takeo

gồm các đất phù sa do sông Tonle Sap và sông Mê Kong, có độ cao thường ít hơn

100 mét Khu vực này gồm các tỉnh Kampong Thom, Siem Reap, Banteay Meanchey, Battambang, Pursat, Kampong Chhang, Oddar Meanchey và Bailin

Sihanoukville, Kampot, Koh Kong và Kep Có 60 đảo ở vùng ven biển Campuchia, có 23 đảo ở tỉnh Koh Kong, 2 đảo ở tỉnh Kampot, 22 đảo ở Sihanoukvill và 13 đảo ở Kep Vùng ven biển là nơi xuất hiện mưa đầu tiên trong năm do các dãy núi có chiều cao tăng về phía tây nam của hồ Tonle Sap và nó là vùng ẩm ướt nhất (lượng mưa trung bình hàng năm là 2000 mm)

khu vực tỉnh Kampong Speu, Kratie, Stoeng Treng, Preah Vihear, Rattanakiri, và tỉnh Mondulkiri

1.1.1.2 Khí hậu của Campuchia

Khí hậu Campuchia chịu

ảnh hưởng của gió mùa, trở

thành vùng nhiệt đới ẩm và khô

theo hai mùa một cách rõ rệt

Gió mùa đông bắc sẽ có gió

khô, gió mùa tây nam sẽ mang

lại không khí lạnh khô kéo dài

từ tháng 10 đến tháng 3

Hình 1.2 Biểu đồ lượng mưa và nhiệt độ hàng tháng của Campuchia

Nhiệt độ khá ổn định ở khu vực Tonle Sap, nhiệt độ trung bình trong năm là

Tổng lượng mưa trung bình hàng năm từ 1000 đến 1500 mm và lượng mưa cao nhất ở phía Đông Nam từ tháng 5 đến tháng 11 trung bình từ 1300 đến 1900mm mỗi năm, tuy nhiên lượng mưa sẽ thay đổi đáng kể từ năm này sang năm khác Lượng mưa cao nhất là ở vùng biển phía tây nam, tiếp nhận lượng mưa từ

2000 đến 5000 mm hàng năm, hệ thống thoát nước chủ yếu là chảy ra biển và chỉ

có một số lượng nhỏ chảy vào các con sông [95]

Bảng 1.1 Lượng mưa trung bình hàng năm

Tên trạm đo lượng mưa Lượng mưa trung bình hàng năm (mm)

1717mm, theo báo cáo của các trạm đo lượng mưa đáng tin cậy (1985-2011) ở tỉnh Battam Bang, Pursat, Kompong Chang, Kompong Thom, Siem Reap, Kratie, Kompong Cham và Prey Veng từ (1185,0 đến 1676,7) mm

Giống nhau phần còn lại của Châu Á, Nam bộ Việt Nam nằm trong vùng đặc trưng của khí hậu nhiệt đới gió mùa và cận xích đạo, nền nhiệt ẩm phong phú, ánh nắng dồi dào, thời gian bức xạ dài, nhiệt độ và tổng tích ôn cao Biên độ nhiệt ngày đêm giữa các tháng trong năm thấp và ôn hòa Độ ẩm trung bình hàng năm khoảng từ 80-82% Khí hậu hình thành trên hai mùa chủ yếu quanh năm là mùa khô và mùa mưa Mùa mưa từ tháng 5 đến tháng 11, mùa khô từ tháng 12 đến tháng 4 Lượng mưa hàng năm giao động từ 966-1325 mm và góp trên 70-82% tổng lượng mưa trong suốt cả năm Mưa phân bố không điều, giảm dần từ khu vực giáp ranh từ Thành phố Hồ Chí Minh xuống khu vực phía Tây và Tây Nam

Ở khu vực Đông Nam có lượng mưa thấp nhất Khi xuất hiện cường độ mưa lớn xảy ra trên một số khu vực trong vùng, thường gây hiện tượng xói mòn ở những vùng gò cao Khi mưa kết hợp với cường triều và lũ gây ngập úng, ảnh hưởng đến đời sống của dân cư trong vùng

Với lượng mưa trung bình năm chênh lệnh nhau từ (3,4 đến 11,6%) và chịu khí hậu nhiệt đới gió mùa giống nhau giữa Campuchia và Việt Nam

Điều kiện khí hậu, điều kiện tự nhiên của Campuchia khá tương đồng với miền Nam Việt Nam Vậy, có thể tham khảo, sử dụng các nghiên cứu trong điều kiện Việt Nam làm định hướng cho việc nghiên cứu ứng dụng cho Campuchia

1.1.2 Mạng lưới giao thông vận tải của Campuchia

Các phương thức vận tải của Campuchia bao gồm mạng lưới đường bộ, đường sắt, đường thủy nội địa và vận tải hàng không, trong đó, quan trọng nhất là mạng lưới giao thông đường bộ có tổng khối lượng hành khách và hàng hóa nhiều nhất chiếm hơn 65% còn phương tiện vận tải khác chỉ đóng vai trò phụ chiếm tỷ

lệ nhỏ hơn 35% theo Bảng 1.2 [90]

Bảng 1.2 Phương thức mạng lưới giao thông của Campuchia hiện nay

Phương thức vận tải Người-km/năm (triệu) Hàng hóa, Ton-km/năm (triệu)

Đường thủy nội địa 35,0 (15%) 80,0 (20%)

Kết quả khảo sát mạng lưới giao thông của Campuchia, tính đến tháng 9 năm

2014 [91] mạng lưới đường bộ Campuchia có tổng chiều dài 55242 km Trong đó

có 13746 tuyến đường, có 4060 cầu với chiều dài 76221 m, Bảng 1.3

Bảng 1.3 Chiều dài mạng lưới đường Bộ Campuchia tính đến năm 2014

Loại đường Chiều

dài (km)

% Đường

Số lượng Đường

Số Cầu % Cầu

Chiều dài cầu (m)

% Chiều dài cầu

NR1 chữ số 2243 4,06% 9 589 14,5% 17643 23,1% NR2 chữ số 8864 16,05% 146 698 17,2% 15710 20,6%

PR 3 đến 4 chữ số 4407 7,98% 236 904 22,3% 16309 21,4% Đường nông thôn 39728 71,92% 13355 1869 46,0% 26559 34,8% Tổng chiều dài 55242 100% 13746 4060 100% 76221 100%

Hình 1.3 Bản đồ vị trí của đường ưu tiên trong nghiên cứu năm (2013)

Trong chương trình hợp tác giữa Chính phủ Campuchia và JICA, một dự án khảo sát, cải tạo và nâng cấp các công trình cầu hiện có ở Campuchia được thực hiện [93] Dự án lựa chọn các khu vực ưu tiên nghiên cứu trong năm 2013 được chia thành 5 nhóm Hình 1.3 Các tuyến đường ở Campuchia thường được đặt tên theo các chữ số, theo đó các tuyến đường được khảo sát trong dự án này gồm: Đường 2 chữ số, đường 3 chữ số có 168 đường với tổng cộng 1205 cây cầu, 44 cống hộp, 26 cửa chắn nước, 3 đường bờ đê

Bảng 1.4 Kết cấu được khảo sát năm 2012

1.1.2.1 Tình trạng cầu

Theo khảo sát của dự án cải tạo và nâng cấp các công trình cầu hiện hữu ở Campuchia của JICA năm 2013 [92], trên tổng số 168 tuyến đường có 1205 cầu gồm: cầu bailey, cầu gỗ, cầu thép, cầu bê tông cốt thép

Loại kết cấu cầu trong tổng số 1205 công trình cầu thể hiện trên Bảng 1.5 Như vậy, kết cấu cầu bê tông cốt thép là loại được sử dụng phổ biến ở Campuchia với tỷ lệ cầu bailey chiếm 23,65%, cầu gỗ 8,54%, cầu thép 4,15%, cầu bê tông

61,33%, cầu khác 2,32% [93]

Bảng 1.5 Các loại cầu được khảo sát trong dự án [93]

Bailey Gỗ Thép Bê tông Khác

Bảng 1.6 Phân loại bê tông theo cường độ chịu nén

Số Loại bê tông Cường độ chịu nén, MPa

4 Bê tông cường độ rất cao 100 ÷ 150

Bê tông cường độ cao được định nghĩa là loại bê tông có cường độ nén ở 28 ngày > 60 MPa, có thành phần hỗn hợp cốt liệu và vữa chất kết dính được cải thiện bằng cách dùng một số vật liệu mới có tính chất đặc biệt như chất siêu dẻo

và muội silic hoặc các khoáng siêu mịn khác

Bê tông truyền thống và bê tông thường được áp dụng chủ yếu trong xây dựng cầu, đường ở Campuchia Theo thống kê của Bộ Công trình công cộng và Vận tải Campuchia năm 2015 [91] Campuchia đã xây dựng một số cầu mới như:

Bảng 1.7 Thống kê sự phát triển của ngành cầu ở Campuchia

Chiều dài (km)

Vị trí

Năm Bắt đầu

Kết thúc

Kizuna Bê tông 1,36 Kampong Cham, NR7 1996 2001 Chroy Changvar Bê tông 0,7 Phnom Penh, NR6 1992 1993 Cầu Neak Loeung Dây văng 2,2 Kandal, Prey Veng, NR1 2011 2015 Cầu bê tông (8 cái) Bê tông - Quốc lộ NR11 (Prey Veng) 2012 2015 Preak Tameak Bê tông 1,066 Kandal, NR8 & NR6 2007 2010 Preak Kdam Bê tông 0,975 Kandal, NR5 & NR61 2007 2011 Cầu bê tông (4 cái) Bê tông 1,6 Quốc lộ NR48 2005 2007 Cầu bê tông (38 cái)

và cống (57 cái) Bê tông 0,185

Quốc lộ 56-68 Samraong - Kralanh) 2006 2008 Cầu Monivong mới Bê tông 0,269 Phnom Penh 2007 2009

(Sisophon-Se Kong Bê tông 1,057 Stoeung Treng, một phần

của quốc lộ NR7 2007 2007 Koh Kong Bê tông 1,9 Koh Kong, NR48 2001 2007 Stung Meanchey Bê tông 0,345 Phnom Penh - ChaomvChao 1999 2009 Chroy Changvar 2 Bê tông 0,719 Phnom Penh - NR6 2010 2013 Preak Pnov Bê tông 1,543 Phnom Penh - NR6 2007 2010 Cầu qua sông Mê

Stung Treng (giao lộ NR7 &

Cầu Takhmao Bê tông 0,855 Thành phố Takhmao 2012 2016 Cầu Chey Thom Bê tông 0,48 Biến giới Việt Nam 2014 2015 Cầu Koh Poh Bê tông 0,9 Thành phố Sihanoukville 2009 2011

Bảng 1.7, cầu mới đã xây dựng ở Campuchia được sử dụng với loại bê tông thường có cường độ nhỏ hơn 60 MPa

Chẳng hạn như cầu dây văng Neak Loeung lớn nhất Campuchia có chiều dài 2,2 km, đã sử dụng bê tông cường độ 40 MPa cho dầm và tháp cầu, 30 MPa cho trụ và cọc, 24 MPa cho lan can và 18 MPa cho làn người đi bộ và bê tông lót nền [94] Cầu dầm hộp dự ứng lực Kizuna có chiều dài 1,36 km, đã sử dụng bê tông cường độ 40 MPa cho dầm hộp, 24 MPa cho trụ, 35 MPa cho cọc và bệ móng và

16 MPa cho bê tông lót nền [96]

Sau đây là một số hình ảnh cầu mới đã được xây dựng ở Campuchia

Hình 1.4 Cầu Kizuna

Loại: Cầu dầm hộp dự ứng lực Vật liệu: Bê tông dự ứng lực

Vị trí: Kampong Cham, NR7 Tổng chiều dài: 1360 m

Bề rộng cầu: 12 m

Hình 1.5 Cầu Chroy Changvar

Loại: Cầu dầm hộp dự ứng lực Vật liệu: Bê tông dự ứng lực

Vị trí: Phnom Penh, NR6 Tổng chiều dài: 719 m

Bề rộng cầu: 13,5 m

Hình 1.6 Cầu Neak Loeung

Loại: Cầu dây văng Vật liệu: Bê tông cường độ 40 MPa

Vị trí: Kandal, Prey Veng, NR1 Tổng chiều dài: 2,2 km

Bề rộng cầu: 13,5 m

Hình 1.7 Cầu Preak Tameak

Loại: Cầu dầm hộp dự ứng lực Vật liệu: Bê tông dự ứng lực

Vị trí: Kandal, NR8 & NR6 Tổng chiều dài: 1066 m

Bề rộng cầu: 13.5 m

Hình 1.8 Cầu Preak Kdam

Loại: Cầu dầm hộp dự ứng lực Vật liệu: Bê tông dự ứng lực

Vị trí: Kandal, NR5 & NR61 Tổng chiều dài: 975 m

Bề rộng cầu: 13,5 m

Hình 1.9 Cầu Koh Poh

Loại: Cầu dầm hộp dự ứng lực Vật liệu: Bê tông dự ứng lực

Vị trí: Sihanoukville Tổng chiều dài: 900 m

Bề rộng cầu: 12 m

1.1.4 Bảo dưỡng sửa chữa và tình trạng hư hỏng của mạng lưới giao thông

ở Campuchia

1.1.4.1 Bảo dưỡng sửa chữa mạng lưới giao thông ở Campuchia

Theo thông kế của Bộ Công trình công cộng và Vận tải Campuchia năm 2015 [91], Hình 1.10 Chí phí bảo dưỡng cầu đường của Campuchia gồm:

- Bảo dưỡng định kỳ (chi phí > 50000 USD): tập trung vào việc bảo trì quy

mô lớn (xây dựng mới hoặc cải tạo)

- Bảo dưỡng thường xuyên: tập trung vào việc bảo trì quy mô nhỏ (sửa chữa khe nứt hoặc ổ gà)

- Bảo dưỡng khẩn cấp: tập trung vào một phần của đường hoặc cầu bị ảnh hưởng do tai nạn/lũ lụt

Hình 1.10 Chí phí bảo dưỡng cầu đường hàng năm của Campuchia

Hình 1.10, cho thấy chi phí bảo dưỡng định kỳ và bảo dưỡng thường xuyên tăng lên kể từ năm 2011 do sự xuống cấp của cầu/ đường và lũ lụt nghiệm trọng Với địa hình nhiều sông nước, có vùng gần biển của Campuchia, có khí hậu khắc nghiệt gây tác động ăn mòn cốt thép làm cho công trình cầu bị hư hỏng

1.1.4.2 Tình trạng hư hỏng của mạng lưới giao thông ở Campuchia

Ngành giao thông vận tải Campuchia đã phát triển từ những năm 1900 Trong nhiều năm qua, hệ thống mạng lưới giao thông đã góp phần cải thiện đời sống và phát triển của đất nước Tuy nhiên, do nhiều năm bị ảnh hưởng bởi tác động của môi trường và thiếu bảo trì làm cho mạng lưới giao thông Campuchia bị phá hoại và xuống cấp nghiêm trọng Hàng năm chi phí dành cho việc bảo dưỡng lên đến khoảng 60 triệu đô la Mỹ (từ năm 2012 ÷ 2014)

Lũ lụt thường xảy ra trong thời kỳ gió mùa từ tháng 8 đến tháng 11 Lượng mưa và lũ lớn nhất là ở phía bắc, việc tăng mực nước ở vùng lân cận của sông gây

ra lũ lụt trên diện rộng ở vùng đồng bằng phía tây nam Campuchia, nơi chịu ảnh

hưởng lũ lụt tồi tệ nhất trong thập kỷ qua thường xuyên do biến đổi khí hậu Campuchia bị ảnh hưởng nặng nề bởi lũ lụt năm 2011 làm cho mạng lưới giao thông như: cầu, đường, cống, hệ thống thoát nước và đất nông nghiệp đã bị thiệt hại Theo dữ liệu thông kế của Bộ Công trình công cộng và Vận tải Campuchia năm 2013 [94], những thiệt hại cho 18 Tỉnh, Thành, phần lớn là thuộc khu vực của 4 tỉnh Kampong Cham, Prey Veng, Siem Reap, Kampong Thom bị ảnh hưởng do lũ tồi tệ nhất từ tháng 10 đến tháng 12 Ước tính số dân sống trong khu vực bị ảnh hưởng là 14,8 triệu người Tổng chiều dài bị ảnh hưởng là 943882m có 61% được đánh giá là bị hư hại trong đó tổng số công trình cầu bị thiệt hại là 53 cầu như Bảng 1.8

Hình 1.11 Cầu bê tông cốt thép (Kampongcham)

Cầu bê tông cốt thép nhịp giản đơn ở huyện Srey Santhor, tỉnh Kampong cham

bị xuống cấp do cốt thép bị ăn mòn và thiếu bảo dưỡng, sửa chữa

Hình 1.12 Cầu giàn bê tông cốt thép (Kom pot)

Cầu Antanu, bê tông cốt thép

ở tỉnh Kom pot bị xuống cấp

do ảnh hưởng của môi trường biển

Hình 1.13 Cầu giàn bê tông cốt thép (NR.6)

Cầu giàn bê tông cốt thép ở đường tỉnh lộ NR 6 bị hư hỏng do tác động của môi trường làm cho cốt thép trong bê tông bị ăn mòn

Bảng 1.8 Tổng chiều dài thiệt hại của mạng lưới giao thông Campuchia năm 2011

Loại đường Chiều dài lũ (m) Chiều dài bị thiệt hại (m)

Siem Reap 5 Bản dẫn cầu bị sụp đổ

Kampong Thom 2 Cầu gỗ bị sụp đổ

Stung Treng 1 Cầu gỗ bị hư hỏng

Banteay Meanchey 12 Cầu gỗ và cầu bê tông cốt thép bị sụp đổ

Kratie 3 Mố cầu bị biến dạng và bản dẫn cầu bị sụp đổ Kampong Cham 2 Mố cầu bị sụp đổ

Kampong Chhnang 6 Sạt lở mố cầu

Vấn đề ăn mòn của cốt thép là vấn đề chính trong kết cấu bê tông mà các kỹ

sư đặc biệt quan tâm Vậy để giải quyết vấn đề ăn mòn của cốt thép và giảm chi phí bảo dưỡng sửa chữa kết cấu cầu ở Campuchia luận án tập trung nghiên cứu ứng dụng vật liệu mới (cốt FRP) thay thế cho cốt thép trong xây dựng cầu

1.2 Tổng quan về bê tông cường độ cao (BTCĐC)

1.2.1 Giới thiệu về bê tông cường độ cao

Bê tông là một loại vật liệu chủ yếu của thế kỷ 20 được chế tạo từ hỗn hợp vật liệu được lựa chọn hợp lý gồm các thành phần: Cốt liệu lớn (đá dăm hoặc sỏi), cốt liệu nhỏ (cát), chất kế dính (xi măng…), nước và phụ gia Dưới sự hỗ trợ của khoa học kỹ thuật loại vật liệu này đã được cải tiến với những ưu điểm vượt trội hơn hẳn so với loại bê tông truyền thống trước kia đặc biệt là bê tông cường độ cao

Bê tông cường độ cao bắt đầu sử dụng vào thập kỷ 70, khi đó một loại bê tông có cường độ chịu nén cao hơn hẳn các loại bê tông trước đó được dùng làm cột trong một số tòa nhà cao tầng tại Mỹ Các công trình ngoài biển đã được xây dựng tại Na Uy Các công trình cầu đường tại Pháp, Nga, Nhật Bản đã được xây dựng từ bê tông cường độ cao đã đạt được các thành công nổi bật [11] Gần đây

bê tông chất lượng cao đã được sử dụng rộng rãi trong xây dựng cầu với nhiều đặc tính quan trọng như: cường độ cao, độ bền cao…, giúp tạo ra các kết cấu nhịp lớn hơn Hiện nay, bê tông cường độ cao đã được sử dụng trong ngành xây dựng tại các nước trên thế giới và đã có các tiêu chuẩn về thiết kế các thành phần bê tông cường độ cao như: TCVN 10306:2014 [10], ACI 363R-10 [26]…

Trong những năm gần đây đã có rất nhiều nghiên cứu về bê tông cường độ cao và đã khẳng định việc sử dụng bê tông cường độ cao cho phép tao ra các sản phẩm có tính kinh tế hơn, cung cấp khả năng giải quyết được nhiều vấn đề kỹ thuật hơn hoặc vừa đảm bảo được cả hai yếu tố trên do khi sử dụng bê tông cường

độ cao có thể có các yêu điểm như sau:

- Giảm kích thước cấu kiện, kết quả là tăng không gian sử dụng và giảm khối lượng bê tông sử dụng, kèm theo rút ngắn thời gian thi công;

- Giảm khối lượng bản thân và các tĩnh tải phụ thêm làm giảm được kích thước móng;

- Tăng chiều dài nhịp và giảm số lượng dầm với cùng yêu cầu chịu tải;

- Giảm số lượng trụ đỡ và móng do tăng chiều dài nhịp;

- Giảm chiều dày bản, giảm chiều cao dầm

Nhược điểm cơ bản của bê tông là có cường độ chịu kéo chưa cao và khối lượng công trình bê tông cốt thép còn lớn

1.2.2 Ứng dụng và phân loại bê tông cường độ cao

BTCĐC hiện nay đã có vị trí rất quan trọng trong các công trình xây dựng, đặc biệt là công trình cầu Trong xây dựng cầu BTCĐC thường được sử dụng làm

hệ thống dầm cầu với ưu điểm giúp làm giảm tĩnh tải cho hệ thống dầm và tăng chiều dài kết cấu nhịp

Thực tế khi sản xuất bê tông cường độ cao được phân loại theo: cường độ chịu nén, thành phần vật liệu chế tạo…[11]

- Theo cường độ chịu nén:

Bê tông cường độ cao (BTCĐC) là loại bê tông có cường độ chịu nén của mẫu thử ở tuổi 28 ngày từ 60 đến 80 MPa (Bảng 1.6), và có các tính năng về độ bền và biến dạng vượt trội so với bê tông thường

+ Bê tông cường độ cao cốt sợi Cốt sợi có thể là kim loại, sợi thủy tinh, sợi cacbon hoặc các loại sợi khác tùy theo yêu cầu về tính năng và giá thành Đây

là loại bê tông cường độ cao có độ dẻo cơ học cao nhất

1.3 Tổng quan về cốt polyme gia cường sợi (FRP)

1.3.1 Giới thiệu vật liệu FRP

Cốt FRP (Fiber Reinforced Polymer) là vật liệu tổng hợp từ hai hoặc nhiều vật liệu khác nhau tạo nên vật liệu mới có tính năng hơn hẳn các vật liệu ban đầu, khi những vật liệu này làm việc riêng lẻ

- Phạm vi áp dụng của cốt polyme gia cường sợi (FRP):

Cốt FRP có thể sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như:

+ Xây dựng dân dụng và công nghiệp (kết cấu dầm, sàn, tường, móng, bể nước thải, kết cấu bê tông công trình cầu cảng và đê sông biển)

+ Xây dựng đường (mặt đường, đặt trong lớp bê tông Alpha, rào chắn lắp ghép, phân luồng đi lại)

+ Xây dựng cầu (dầm cầu, mố trụ cầu, bản mặt cầu và hệ thống vật chắn cầu) + Kết cấu địa kỹ thuật (công trình bảo vệ bờ, tường chắn, công trình hầm mỏ

và gia cố mái dốc)

- Ưu điểm của cốt FRP:

+ Chống ăn mòn cao kể cả trường hợp không có lớp bê tông bảo vệ

+ Không có từ tính và không dẫn điện sẽ không ảnh hưởng đến thiết bị điện như thiết bị MRI

+ Trọng lượng nhẹ, chỉ bằng khoảng một phần tư trọng lượng cốt thép và có

độ bền lâu

+ Cường độ chịu kéo cao và có khả năng chịu mỏi

- Nhược điểm của cốt FRP:

+ Ứng xử đàn hồi tuyến tính, không có giới hạn chảy (phá hoại đột ngột) + Mô đun đàn hồi và cường độ chống cắt thấp (theo các loại sợi khác nhau)