Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu lớp mặt cầu bằng bê tông tính năng siêu cao gia cường cốt sợi thép (UHPFRC) trên bản thép trực hướng

Luận án được nghiên cứu với mục tiêu nhằm lựa chọn vật liệu, thiết kế thành phần UHPFRC từ các vật liệu sẵn có ở Việt Nam (UHPFRC-V). Xác định tính năng cơ học, mô hình ứng xử uốn của UHPFRC-V từ các thí nghiệm chuẩn. Nghiên cứu ứng xử uốn của UHPFRC-V trên bản thép, thiết lập mô hình ứng xử uốn của UHPFRC-V trên bản thép để tính toán kết cấu. Đề xuất mô hình sử dụng UHPFRC-V, đánh giá hiệu quả của giải pháp áp dụng UHPFRC-V trong việc giảm ứng suất, biến dạng kết cấu OSD.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI ĐẶNG VĂN SỸ NGHIÊN CỨU LỚP MẶT CẦU BẰNG BÊ TƠNG TÍNH NĂNG SIÊU CAO GIA CƯỜNG CỐT SỢI THÉP (UHPFRC) TRÊN BẢN THÉP TRỰC HƯỚNG Chuyên ngành: Xây dựng cơng trình đặc biệt Mã số: 62.58.02.06 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI, 2017 Cơng trình hồn thành tại: Trường Đại học Giao thông vận tải Người hướng dẫn khoa học: GS.TS Phạm Duy Hữu TS Trần Việt Hùng Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Trường họp tại: Trường Đại học Giao thông vận tải vào hồi … … ngày … tháng … năm 2017 Có thể tìm hiểu luận án tại: Thư viện Trường Đại học Giao thông vận tải Thư viện Quốc gia MỞ ĐẦU Lý lựa chọn đề tài Kết cấu mặt cầu thép trực hướng (OSD) với ưu điểm trọng lượng thân nhỏ, độ cứng lớn, thi công nhanh, ứng dụng thành công cho hàng ngàn cầu giới Thực tế khai thác cho thấy, xuống cấp vật liệu làm lớp phủ, gia tăng tải trọng xe chạy làm xuất hư hỏng: lớp phủ mặt cầu, mối hàn, mặt cầu thép, sườn dầm thép Các hư hỏng làm giảm chất lượng khai thác tuổi thọ cơng trình Vấn đề đặt tìm biện pháp để tăng cường, sửa chữa, kéo dài tuổi thọ cơng trình cầu cũ xuất hư hỏng nêu đề xuất điều chỉnh thiết kế cơng trình cầu Xu hướng chung để giải vấn đề sử dụng lại lớp phủ mặt cầu bê tông cốt sợi nhằm tăng độ cứng kết cấu, giảm ứng suất gây mỏi vị trí bất lợi Hướng nghiên cứu nghiên cứu, ứng dụng Nhật Bản, Hà Lan, Mỹ, Trung Quốc [44], [46], [50], [73], [77] Luận án nghiên cứu nhằm: Chế tạo bê tơng tính siêu cao gia cường cốt sợi (UHPFRC) từ nguồn vật liệu nước; xác định mơ hình ứng xử uốn; nghiên cứu ứng xử uốn UHPFRC thép trực hướng đề xuất loại lớp phủ mặt cầu thép trực hướng Việt Nam Mục đích nghiên cứu - Lựa chọn vật liệu, thiết kế thành phần UHPFRC từ vật liệu sẵn có Việt Nam (UHPFRC-V) Xác định tính học, mơ hình ứng xử uốn UHPFRC-V từ thí nghiệm chuẩn - Nghiên cứu ứng xử uốn UHPFRC-V thép, thiết lập mô hình ứng xử uốn UHPFRC-V thép để tính tốn kết cấu - Đề xuất mơ hình sử dụng UHPFRC-V, đánh giá hiệu giải pháp áp dụng UHPFRC-V việc giảm ứng suất, biến dạng kết cấu OSD Đối tượng phạm vi nghiên cứu - Ứng xử uốn UHPFRC-V mẫu chuẩn, uốn âm mặt cắt liên hợp “bản thép - UHPFRC-V” - Ứng xử cục kết cấu OSD có lớp phủ UHPFRC-V chịu tải trọng bánh xe phương pháp PTHH Không xét ảnh hưởng nhiệt độ ứng xử kết cấu OSD có lớp phủ UHPFRC-V Ý nghĩa khoa học thực tiễn Luận án Ý nghĩa khoa học Luận án: Lựa chọn thành phần UHPFRC-V, xây dựng mô hình ứng xử uốn UHPFRC-V phục vụ tính tốn, phân tích kết cấu Phân tích ứng xử UHPFRC-V thép trực hướng, đề xuất mơ hình ứng dụng UHPFRC-V mặt cầu thép trực hướng Việt Nam Ý nghĩa thực tiễn Luận án: Đề xuất mơ hình sử dụng UHPFRC-V kết cấu OSD, làm tiền đề cho việc nghiên cứu, ứng dụng UHPFRC-V xây dựng cầu Việt Nam Phương pháp nghiên cứu Luận án sử dụng kết hợp phương pháp nghiên cứu lý thuyết, thực nghiệm ứng dụng phương pháp PTHH phân tích kết cấu Nội dung, kết cấu luận án Luận án gồm thuyết minh 140 trang bao gồm chương, phần mở đầu phần kết luận tập Phụ lục 57 trang trình bày kết thí nghiệm, chương trình kết tính tốn luận án Chương 1: Tổng quan UHPFRC nghiên cứu ứng dụng thép trực hướng Chương 2: Thành phần tính bê tơng tính siêu cao gia cường cốt sợi Chương 3: Nghiên cứu thực nghiệm ứng xử uốn âm UHPFRC-V thép Chương 4: Phân tích ứng xử kết cấu thép trực hướng có lớp phủ UHPFRC-V CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BÊ TƠNG TÍNH NĂNG SIÊU CAO GIA CƯỜNG CỐT SỢI VÀ CÁC NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG TRÊN BẢN THÉP TRỰC HƯỚNG 1.1 Mở đầu Bê tơng tính siêu cao gia cường cốt sợi (UHPFRC) loại vật liệu nghiên cứu phát triển giới từ năm 1990, đặc tính bê tơng có cường độ nén từ 100 đến 200MPa [16], [70], [71], khả chịu uốn, cắt cao, khả chịu tác động va chạm, chịu tải trọng lặp lớn có độ bền ổn định lâu dài so với bê tơng truyền thống 1.2 Thành phần, tính UHPFRC 1.2.1 Thành phần UHPFRC Thành phần vật liệu chủ yếu UHPFRC bao gồm: Cát quartz, bột quartz, muội silic, sợi thép, phụ gia siêu dẻo nước Trong đó: - Xi măng (X): CEM 42,5 I N(thế giới), PC40(Việt Nam), khối lượng (700÷1100) kg/m3, xu hướng sử dụng ≤ 900 kg/m3 - Muội silic: Hàm lượng (10÷30)% khối lượng xi măng, nhiều nghiên cứu kết luận tỷ lệ 25% tối ưu [30], [60], [69], [70], [71] - Cát quartz (C): C/X = 0,7 ÷ 1,42 Cỡ hạt ÷ 0,6 mm - Bột quartz: cỡ hạt tương đương xi măng, sử dụng để thay phần xi măng, thường không 30% lượng xi măng - Sợi thép: 0÷6 % thể tích bê tông Hàm lượng hợp lý 2% [40], [60], [65], [73] - Tỷ lệ N/X thường sử dụng từ 0,16 ÷ 0,24 1.2.2 Tính học UHPFRC Tổng hợp tính học UHPFRC từ báo cáo Hội thảo chuyên đề UHPC [70], [71], [72] Bảng 1.5 Bảng 1.5 Tổng hợp tính học UHPFRC Tính Cường độ nén (MPa) Miền giá trị 100 - 200 Cường độ kéo nứt (MPa) - 10 Mô đun đàn hồi (GPa) 40 - 70 Hệ số poisson Hệ số giãn nở nhiệt 0,2 (10 - 15).10-6/0C Hệ số từ biến Đặc trưng từ biến (Specific creep) Co ngót tổng (co ngót khơ + co ngót nội sinh) 0,2 - 0,8 (6 - 45).10-6/MPa 900.10-6 1.2.3 Tính độ bền UHPFRC Tính độ bền bê tông thể thông qua khả chống thấm ion clo, thấm nước, cacbonat hóa, độ bền sun phát, tác động môi trường biển, Các nghiên cứu cho thấy với tỷ lệ N/X thấp (0,18 ÷ 0,22) độ đặc cao, tính độ bền UHPFRC lớn nhiều so với loại bê tơng truyền thống 1.3 Mơ hình ứng xử uốn thiết kế UHPFRC Ứng xử uốn thiết kế UHPFRC thể biểu đồ quan hệ ứng suất - biến dạng chịu nén, kéo uốn Cho đến nay, Các Tiêu chuẩn, dẫn thiết kế kết cấu UHPFRC ban hành Pháp AFGC [23], Nhật JSCE [59], Australia [40], Mỹ [18] Ở Việt Nam, có nghiên cứu thực nghiệm ứng xử học dầm UHPFRC Nguyễn Lộc Kha (2011) [5], ứng xử của Nguyễn Công Thắng (2013) [11], Trần Bá Việt cộng (2015) [14] Tuy nhiên việc nghiên cứu, thiết lập mơ hình UHPFRC Việt Nam hạn chế UHPFRC sử dụng cầu Đập Đá (Hậu Giang), cầu Năng An - Xuân Hồi (Ninh Bình) Tuy nhiên, cơng trình cầu thiết kế theo dẫn viện KICT, Hàn Quốc (2014) [72] 1.4 Lớp phủ mặt cầu thép trực hướng bê tông cốt sợi 1.4.1 Giới thiệu mặt cầu trực hướng lớp phủ mặt cầu Hệ thống kết cấu cầu OSD với hai dạng cấu tạo là: Sườn kín sườn hở sử dụng thành cơng cho nhiều cơng trình cầu giới Ở Việt Nam cầu Thăng Long - Hà Nội, cầu Thuận Phước- Đà Nẵng, cầu Cần Thơ sử dụng loại mặt cầu [12] Trong kết cấu OSD, lớp phủ có vai trò quan trọng việc bảo vệ kết cấu OSD đảm bảo cho xe chạy êm thuận qua cầu Có nhóm vật liệu [36]: Nhóm thứ nhất: Lớp phủ mặt cầu asphalt; Nhóm thứ hai: Lớp phủ mặt cầu polymer; Nhóm thứ ba: Lớp phủ mặt cầu bê tông cốt sợi 1.4.2 Ứng dụng mặt cầu trực hướng Các ứng dụng kết cấu OSD bao gồm: Cầu dầm, cầu dàn, cầu treo nhịp lớn, thay mặt cầu cũ cầu di động, [12], [36] 1.4.3 Các hư hỏng mặt cầu thép trực hướng Hư hỏng kết cấu OSD phát thu hút quan tâm phạm vi toàn giới Trong số hư hỏng quan sát, vết nứt thép đường hàn nơi giao thép sườn dọc đánh giá phổ biến nghiêm trọng [50], [74], [76] … 1.4.4 Các mơ hình sử dụng lớp phủ mặt cầu bê tông cốt sợi Để kéo dài tuổi thọ cầu OSD xuất hư hỏng, xu hướng sử dụng lớp phủ mặt cầu bê tơng cốt sợi Các mơ hình nghiên cứu: Lớp phủ SFRC dày 75mm, liên kết với thép keo epoxy [50]; lớp phủ UHPC 180MPa, liên kết với thép keo epoxy rắc cốt liệu thơ bơ xít 3x4 (mm2) [77]; Lớp phủ lắp ghép UHPFRC 180 MPa dày 35 mm, liên kết với thép keo epoxy lắp ghép [56]; lớp phủ FRC 2% cốt sợi, liên kết với thép phun cát bề mặt [74]; lớp phủ UHPFRC 150 MPa, 2% sợi thép, liên kết với thép keo epoxy rắc cốt liệu thô [68] 1.4.5 Các nghiên cứu lớp phủ BTCS thép trực hướng - Nghiên cứu dính bám, làm việc chung vật liệu thực thơng qua thí nghiệm kéo trực tiếp [36], [46], [68] thí nghiệm uốn điểm [36], [37], [46] Kết cho thấy, liên kết keo, rắc cốt liệu thô đáp ứng yêu cầu Tiêu chuẩn hành - Thí nghiệm mỏi: Được Buitelaar [30], Murakoshi [50], Marchand [56] thực thí nghiệm tải trọng bánh xe mẫu kết cấu lớn mẫu nhỏ chịu uốn âm Kết nghiên cứu cho thấy không xuất hư hỏng mỏi mẫu 1.5 Xác định vấn đề nghiên cứu Luận án 1.5.1 Nhận xét Từ kết nghiên cứu tổng quan, nhận xét rút sau: - Về thành phần, tính mơ hình vật liệu UHPFRC Chưa có nghiên cứu cơng bố mơ hình ứng xử UHPFRC Việt Nam ứng dụng tính tốn, phân tích kết cấu thép trực hướng - Về dính bám, làm việc chung loại vật liệu Trong hình thức dính bám nêu trên, liên kết keo epoxy rắc cốt liệu thô giảm ứng suất tập trung mặt cầu, tốn thời gian thi cơng [37], [46], [50], [68], [77] Loại liên kết áp dụng thực tế Hà Lan [27], [37] - Về khả chịu mài mòn, độ bền lâu, sức kháng va chạm UHPFRC-V với cấu trúc đặc chắc, sử dụng sợi phân tán mịn làm cho khả chịu mài mòn, độ bền lâu vượt trội so với loại bê tông truyền thống - Về chiều dày lớp phủ mặt cầu Chiều dày lớp phủ nghiên cứu: 35 ÷ 80 mm Cần đề xuất chiều dày sử dụng thích hợp với vật liệu UHPFRC Việt Nam - Về hiệu kinh tế - kỹ thuật Kéo dài tuổi thọ, nâng cao khả chịu tải kết cấu cầu điều kiện tải trọng ngày tăng mang lại hiệu kinh tế - kỹ thuật tốt Cần tập trung chứng minh hiệu mặt kỹ thuật giải pháp 1.5.2 Các vấn đề đề tài tập trung nghiên cứu - Lựa chọn vật liệu, thiết kế thành phần bê tơng UHPFRC-V, xây dựng mơ hình ứng xử uốn UHPFRC-V - Thực nghiệm ứng xử uốn lớp phủ mặt cầu UHPFRC-V thép, xây dựng mơ hình ứng xử uốn UHPFRC-V thép - Đề xuất mơ hình ứng dụng UHPFRC-V cho kết cấu OSD Đánh giá hiệu việc giảm ứng suất, biến dạng kết cấu mặt cầu CHƯƠNG 2: THÀNH PHẦN VÀ TÍNH NĂNG CỦA BÊ TƠNG TÍNH NĂNG SIÊU CAO GIA CƯỜNG CỐT SỢI 2.1 Đặt vấn đề Mục tiêu thiết kế: Cường độ nén 110 MPa, mô đun đàn hồi 40GPa, độ chảy 500mm điều kiện bảo dưỡng không xử lý nhiệt, phù hợp với điều kiện thi công đổ chỗ kết cấu mặt cầu OSD Phương pháp thiết kế thành phần dựa lý thuyết tối ưu độ đặc De Larrard [50] Thí nghiệm, phương pháp phân tích thực theo dẫn AFGC [23] Các nghiên cứu thực nghiệm tiến hành trường Đại học Giao thông vận tải 2.2 Vật liệu chế tạo Xi măng PC40; Phụ gia siêu dẻo PolyCarboxylat 3000-20M; muội silic Sikacrete PP1; cát với cỡ hạt lớn 0,6mm; bột Quartz đường kính hạt trung bình 27,9 m; Sợi thép đường kính D = 0,2 ÷ 0,25 mm, chiều dài 13 mm, giới hạn chảy lớn 2850 MPa Các vật liệu thỏa mãn tiêu chuẩn hành, phù hợp để chế tạo UHPFRC 2.3 Thiết kế thành phần UHPFRC-V Thành phần UHPFRC-V thiết kế dựa lý thuyết tối ưu hóa độ đặc Larrard Sedran[54] Thành phần UHPFRC-V, Bảng 2.12 với xi măng 900 kg/m3, vật liệu lại theo tỷ lệ khối lượng với xi măng Bảng 2.11 Thành phần UHPFRC-V theo tỷ lệ khối lượng xi măng Xi Cát Bột Muội Phụ gia Sợi thép Nước măng quarzt Quarzt Silic siêu dẻo PC40 (0-0,63) 1,1 0,111 0,25 0,0203 0,178 0,20 2.4 Chế tạo UHPFRC-V Bê tông chế tạo Phòng thí nghiệm Vật liệu xây dựng, Trường Đại học Giao thông vận tải máy trộn cưỡng có dung tích 180 lít, lần trộn 60lít Các mẫu thí nghiệm cường độ nén, mơ đun đàn hồi, uốn điểm đúc bảo dưỡng điều kiện phòng, khơng xử lý nhiệt 2.5 Thí nghiệm cường độ nén, mô đun đàn hồi UHPFRC-V 2.5.1 Xác định cường độ nén - Cường độ nén ngày trung bình 76,72 MPa, đặc trưng 72,20 MPa - Cường độ nén 28 ngày trung bình 121,97 MPa, đặc trưng 118,54 MPa - Cường độ nén ngày 62,9 % cường độ nén 28 ngày tuổi 2.5.2 Thí nghiệm mô đun đàn hồi Mô đun đàn hồi trung bình mẫu thử, Ecm = 42548 MPa 2.6 Thí nghiệm uốn mẫu UHPFRC-V Kết thí nghiệm uốn điểm mẫu dầm 150x150x600 mm3, thu biểu đồ tải trọng - độ võng (Hình 2.11) Từ xác định cường độ kéo uốn vết nứt (Bảng 2.21) theo dẫn AFGC [23] SU2 SU4 SU1 SU5 SU3 SU6 Hình 2.11 Biểu đồ tải trọng - độ võng từ thí nghiệm uốn điểm 11 CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ỨNG XỬ UỐN ÂM CỦA UHPFRC-V TRÊN BẢN THÉP 3.1 Mở đầu Mục tiêu Chương 3: - Xác định quan hệ mô men âm mặt cắt liên hợp với giá trị biến dạng kéo bề rộng vết nứt khác lớp phủ UHPFRC-V - Xác định mơ hình ứng xử UHPFRC-V thép Mơ hình kiểm chứng phương pháp PTHH Mơ hình xây dựng sử dụng để phân tích ứng xử kết cấu OSD kích thước thật Chương 3.2 Mơ hình ứng dụng UHPFRC-V mặt cầu trực hướng Luận án đề xuất mơ hình ứng dụng UHPFRC-V thép trực hướng (Hình 3.1), với: UHPFRC-V có chiều dày dự kiến: 50, 60, 70mm (tùy theo tải trọng khai thác, cự ly sườn dọc yêu cầu thiết kế) Hình 3.1 Mơ hình ứng dụng UHPFRC-V thép trực hướng 3.3 Lựa chọn mơ hình thí nghiệm: Luận án tham khảo mơ hình thí nghiệm Murakoshi [50] (Hình 3.2) Hình 3.2 Mơ hình thí nghiệm liên hợp chịu mô men âm Chiều cao lớp phủ lựa chọn: hu = 50, 60, 70 mm 12 3.4 Chuẩn bị mẫu thí nghiệm 3.4.1 Vật liệu chế tạo Vật liệu chế tạo gồm UHPFRC-V có thành phần thiết kế Chương luận án (Bảng 2.11); thép kích thước 450x500x12 (mm3); cốt thép 8; Keo epoxy Sikadur 731; đá granite kích cỡ 3x4 (mm2) 3.4.2 Chế tạo mẫu thí nghiệm Cấu tạo tổ mẫu, nội dung thí nghiệm thể Bảng 3.2 Bảng 3.2 Nội dung thí nghiệm uốn mẫu liên hợp Tổ mẫu Tên mẫu S50 S50.0 S60 S70 S50-1 S50-2 S50-3 S50.0-1 S50.0-2 S50.0-3 S60-1 S60-2 S60-3 S70-1 S70-2 S70-3 Bố trí Chiều dày Nội dung thí nghiệm cốt thép UHPFRC-V (mm) x 50 x 50 Thí nghiệm uốn điểm, thu thập: x 50 50 - Biểu đồ tải trọng - độ võng; 50 - Biểu đồ tải trọng - biến dạng 50 mặt UHPFRC-V; x 60 x 60 - Biểu đồ tải trọng - biến dạng x 60 tách lớp; x 70 x 70 - Quan sát tượng phá hoại x 70 Việc chế tạo mẫu thí nghiệm theo bước sau: Làm bề mặt thép; thi cơng lớp dính bám Sikadur 731; đổ lớp phủ UHPFRC-V; bảo dưỡng mẫu cách phủ bao tải, tưới nước dưỡng ẩm 3.5 Phương pháp trình tự thí nghiệm Hình ảnh dán đo biến dạng Hình 3.7 Sơ đồ, hình ảnh gán thiết bị đo lên mẫu 13 Các thiết bị, sơ đồ bố trí thiết bị thí nghiệm (Hình 3.7) Thiết bị đo: Cảm biến đo biến dạng mặt UHPFRC-V; cảm biến đo biến dạng mặt bên mẫu; đo độ võng; load cell đo lực Thông số đo đồng theo thời gian Tốc độ gia tải tham khảo AFGC, với tốc độ 0,25mm/ phút 3.6 Kết thí nghiệm 3.6.1 Quan sát ứng xử mẫu trực quan - Các vết nứt đầu tiên, xuất vị trí gối kê - Sự phá hoại 12 mẫu bắt đầu gối, chủ yếu phá hoại theo mặt cắt thẳng góc 3.6.2 Biểu đồ tải trọng - biến dạng kéo lớn UHPFRC-V Biểu đồ tải trọng - biến dạng kéo lớn bề mặt lớp UHPFRC-V 12 mẫu thử thể Hình 3.11 Hình 3.11 Biểu đồ tải trọng - biến dạng mặt UHPFRC-V Phân tích biểu đồ tải trọng - biến dạng có: Biến dạng vết nứt đầu tiên: 197.10-6 ÷ 309.10-6; biến dạng vết nứt bắt đầu mở rộng: 3815.10-6 ÷ 6021.10-6 Các giá trị tương đương với kết thí nghiệm Chương 14 3.6.3 Biểu đồ tải trọng - độ võng Biểu đồ tải trọng độ võng đo thể hình 3.15 Hình 3.15 cho thấy: Khơng có bước nhảy biểu đồ vết nứt mở rộng liên kết thép UHPFRC-V đảm bảo để mặt cắt làm việc liên hợp; việc bố trí cốt thép làm tăng khả chịu uốn mẫu Hình 3.15 Biểu đồ tải trọng - độ võng tổ mẫu 3.6.4 Quan hệ tải trọng - độ mở rộng vết nứt Quan hệ (Hình 3.18) xác định từ biểu đồ tải trọng - biến dạng biểu đồ tải trọng - độ võng thí nghiệm theo cơng thức AFGC (2013) [23] So sánh với kết Murakoshi [50] mẫu có lớp phủ SFRC dày 75mm (Hình 3.18) với UHPFRC-V: - Bê tơng SFRC, sau nứt tải trọng giảm, vết nứt mở rộng khoảng 0,22mm tải trọng bắt đầu tăng trở lại cốt thép đạt giới hạn chảy - UHPFRC-V 2% vi cốt sợi (theo thể tích), sau vị trí vết nứt đầu tiên, tải trọng không giảm mà tiếp tục tăng vết nứt cục mở rộng cốt thép UHPFRC-V đạt giới hạn chảy 15 3.6.5 Quan hệ tải trọng - biến dạng mặt bên mẫu Bố trí dán đo biến dạng lên bên bề mặt bên mẫu để theo dõi tượng tách lớp có chịu tải mẫu Quan hệ tải trọng biến dạng mặt bên (Hình 3.21) Hình 3.20 Bố trí dán đo biến dạng mặt bên mẫu Không có biến dạng đột biến suốt biểu đồ, thấy tượng tách lớp không xảy Điều phù hợp với kết luận Water [74] Hình 3.21 Biểu đồ tải trọng - biến dạng mặt bên 3.7 Mơ hình ứng xử uốn UHPFRC-V thép 3.7.1 Phân tích ngược phương pháp giải tích Từ biểu đồ tải trọng - biến dạng thí nghiệm thu được, xác định ứng xử uốn UHPFRC-V phương pháp phân tích ngược Sử dụng chương trình tính tốn lập sẵn mathcad để phân tích Kết phân tích ngược mẫu S50.0 (Hình 3.26) Kết sử dụng để tính tốn, kiểm tra với mẫu lại: S50, S60, S70 Chênh lệch trung bình tổ mẫu S50.0: 5,78 %; tổ mẫu S50: 12,26 %; tổ mẫu S60: 9,44%; tổ mẫu S70: 10,65% 4,2 Ứng suất (MPa) Ứng suất (MPa) 16 3,6 0,085 Biến dạng (0/00) 67,17 E = 42,5 GPa 1,6 Biến dạng (0/00) 3,5 a) Ứng xử kéo  b) Ứng xử nén Hình 3.26 Mơ hình ứng xử UHPFRC-V thép 3.7.2 Kiểm chứng mơ hình phương pháp phần tử hữu hạn Sử dụng phần mềm Midas Fea để phân tích mơ hình thí nghiệm với giả thiết liên kết UHPFRC-V thép liên kết cứng Kết quả: Phân tích PTHH; giải tích; thí nghiệm thể đồ thị, Hình 3.29 Kết cho thấy, tính tốn giải tích PTHH kết thí nghiệm Mơ men âm (kN.m) Mô men âm (kN.m) hội tụ với sai số trung bình nhỏ 15% thiên an tồn Biến dạng Mơ men âm (kN.m) Mơ men âm (kN.m) Biến dạng Biến dạng Biến dạng Hình 3.29 So sánh kết tính tốn thí nghiệm mẫu liên hợp 17 CHƯƠNG 4: PHÂN TÍCH ỨNG XỬ KẾT CẤU BẢN THÉP TRỰC HƯỚNG CÓ LỚP PHỦ UHPFRC-V 4.1 Mở đầu Chương phân tích kết cấu OSD có lớp phủ UHPFRC-V, xác định biến dạng kéo lớn lớp phủ, ứng suất lớn thép, ứng suất đường hàn liên kết thép sườn dọc Các tính tốn dựa dẫn FHWA [36], Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22TCN 272-05 [15] tài liệu liên quan [19], [50], [52], [73], [77] 4.2 Cơ chế ứng xử học, PP tính tốn, phân tích kết cấu OSD 4.2.1 Các chế ứng xử kết cấu OSD Bảng 4.1 Các chế ứng xử kết cấu cầu thép trực hướng [36] 18 Kết cấu OSD hệ thống kết cấu có chế ứng xử phức tạp chịu tải Việc tính tốn, phân tích kết cấu phải xét đến: Sự làm việc phương thép; tổ hợp tác động cục tổng thể ổn định phận kết cấu mặt cầu Theo FHWA (2011) [36], có hệ thống tương ứng với chế ứng xử học kết cấu OSD (Bảng 4.1) 4.2.2 Phương pháp phân tích kết cấu mặt cầu thép trực hướng mức thiết kế gồm: Mức 1: Thiết kế thực nghiệm kế thừa thiết kế trước để chứng minh kết cấu đáp ứng yêu cầu; Mức 2: Phân tích kết cấu đơn giản 1D 2D; Mức 3: Phân tích mơ hình kết cấu 3D Lựa chọn phương pháp phân tích: - Phân tích biến dạng lớp phủ: Phân tích mức phương pháp tính tốn giải tích; phân tích mức theo phương pháp PTHH - Ứng suất gây thép, đường hàn: phân tích theo mức theo phương pháp PTHH 4.3 Các trạng thái giới hạn: Để có sở lựa chọn chiều dày lớp phủ UHPFRC-V, trạng thái giới hạn (TTGH) xem xét kết cấu OSD có lớp phủ UHPFRCV gồm: TTGH mỏi (22TCN 272-05), TTGH UHPFRC-V [23] 4.4 Ứng xử UHPFRC-V OSD phương pháp giải tích 4.4.1 Mơ men âm mặt cầu trực hướng tải trọng khai thác Mơ men âm lớn mặt cầu (Hình 4.4) tải trọng (22TCN 272-05) tính phương pháp dải hữu hạn theo dẫn FHWA, [36] 4.4.2 Mô men gây nứt mặt cắt Mô men gây nứt mặt cắt xác định theo công thức: Mcr = (hu2  2.n.hs hu  n hs ) f ct el b 6(hu  n.hs ) (4.1) Biểu đồ mô men gây nứt mô men âm tải trọng khai thác lập (Hình 4.4) làm lựa chọn sơ chiều dày lớp phủ mặt cầu đảm bảo khả chống nứt Mơ men âm tính tốn (kN.m) 19 Khoảng cách sườn dọc (mm) Hình 4.4 Mô men gây nứt - mô men âm tải trọng khai thác 4.4.3 Ứng suất, biến dạng mặt cắt liên hợp thép-UHPFRC-V Luận án sử dụng phương pháp giải tích, lập chương trình tính tốn ứng xử mặt cắt liên hợp “bản thép - UHPFRC-V” mathcad để tính ứng suất, biến dạng Với chương trình tính tốn lập sẵn mathcad, phân tích ứng xử học mặt cắt liên hợp “bản thép - UHPFRC-V” tính tốn ứng suất danh định thép ứng với trường hợp cấu tạo mặt cầu lớp phủ khác nhau, Hình 4.6 Biểu đồ hình 4.6 sử dụng tham khảo để lựa chọn chiều dày lớp phủ theo trạng thái giới hạn mỏi Ứng suất (MPa) 70 60 50 40 Biểu đồ ứng suất ở mép dưới trên bản thép  12PL+50U 12PL+60U 12PL+70U 14PL+50U 14PL+60U 14PL+70U 30 20 10 230 240 250 260 270 280 290 300 310 320 330 340 350 360 370 380 390 400 Khoảng cách  giữa các sườn dọc (mm)  Hình 4.6 Ứng suất lớn thép trực hướng 20 4.5 Phân tích ứng xử kết cấu OSD có lớp phủ UHPFRC-V 4.5.1 Mục tiêu phân tích Phân tích kết cấu OSD với trường hợp lớp phủ khác để xác định biến dạng kéo lớn lớp phủ, ứng suất lớn thép, ứng suất lớn đường hàn Tải trọng phân tích lấy theo 22TCN 272-05 Việc xác định ứng suất, biến dạng cục thép, đường hàn, lớp phủ phải phân tích mức (trên mơ hình 3D) [36] Luận án sử dụng phương pháp PTHH, sử dụng phần mềm Midas Fea để phân tích 4.5.2 Giới thiệu phần mềm, lựa chọn phần tử Sử dụng phần mềm Midas Fea có chức phân tích phi tuyến, đáp ứng mục tiêu phân tích Phần mềm kiểm chứng chương 2, chương luận án cho phản ánh ứng xử vật liệu UHPFRC-V, ứng xử uốn mặt cắt liên hợp “bản thép - UHPFRC-V” Với mức phân tích 3D chọn, sử dụng loại phần tử solid để mơ hình cho phần tử kết cấu OSD với trường hợp lớp phủ khác 4.5.3 Mơ hình, vật liệu, điều kiện biên Phân tích dạng kết cấu điển hình OSD kết cấu sườn kín kết cấu sườn hở với quy mơ kích thước thật đượctham khảo thiết kế thực tế (Hình 4.7a, Hình 4.10) Sử dụng mơ hình ứng suất Vonmises; mơ hình “Total Strain Crack” để mơ hình vật liệu thép UHPFRC-V Với vật liệu lớp phủ bê tông nhựa epoxy, matic asphal sử dụng mơ hình đàn hồi tuyến tính Hình 4.7 Kích thước, hình dạng mẫu phân tích 21 Hình 4.10 Mơ hình kết cấu mặt cầu trực hướng sườn hở 4.5.4.1 Kết phân tích cho mẫu kết cấu sườn kín 12 14 16 18 160 20 22 thép 24 (mm) Chiều dày 160 120 120 80 80 12PL+UHPFRC-V 12PL+ EA 12PL+ MA PL+0 lớp phủ 40 40 60 70 Chiều dày lớp phủ (mm) Hình 4.12 Biến dạng lớn lớp phủ với loại lớp phủ khác 12 10 20 30 40 Chiều dày lớp phủ (mm)           60 70 Hình 4.14 Ứng suất lớn đường hàn với lớp phủ khác Chiều dày thép (mm) + lớp phủ 14 16 18 240 220 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 20 22 24 240 220 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 12PL+UHPFRC‐V 12PL+ EA 12PL+ MA PL+0 lớp phủ 10 50 20 30 40 50 60 Ứng suất (MPa) 50 70 Bản thép 12mm + lớp phủ dày: (mm) Hình 4.13 Ứng suất lớn thép với lớp phủ khác Phân tích mẫu sườn kín (Hình 4.7) với thép dày 12mm, khoảng cách sườn dọc 300mm với trường hợp khác lớp phủ thu biến dạng kéo lớn lớp phủ (Hình 4.12), ứng suất lớn thép (Hình 4.13), ứng suất lớn đường hàn (Hình 4.14) Ứng suất (MPa) 12PL+UHPFRC-V 12PL+ EA 12PL+ MA ứng suất (MPa) 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 Ứng suất (MPa) Biến dạng (x10-6 ) 4.5.4 Kết phân tích 22 Sử dụng lớp phủ mặt cầu UHPFRC-V giảm đáng kể ứng suất thép, đường hàn liên kết thép sườn dọc so với loại lớp phủ epoxy asphalt (EA) so với mastic asphalt (MA), cụ thể: - Ứng suất thép: + Lớp phủ 50mm, ứng suất giảm 30,67 % ÷ 61,27 % + Lớp phủ 60mm, ứng suất giảm 42,69 % ÷ 69,22 % + Lớp phủ 70mm, ứng suất giảm 65,01 % ÷ 83,07 % - Ứng suất đường hàn: + Lớp phủ 50mm, ứng suất giảm 5,78 % ÷ 42,29 % + Lớp phủ 60mm, ứng suất giảm 6,24 % ÷ 45,60 % + Lớp phủ 70mm, ứng suất giảm 9,65 % ÷ 49,83 % 12 180 20 22 24 Chiều dày bản thép (mm) 180 1200 160 160 140 140 120 120 100 100 1000 Ứng suất (MPa) Biến dạng lớp phủ (.10 -6) 1400 800 600 14PL+ UHPFRC-V 14PL+ EA 12PL+ MA 400 200 60 70 Chiều dày lớp phủ (mm) Hình 4.16 Biến dạng lớn lớp phủ với lớp phủ khác 16 18 80 14PL+ UHPFRC-V 14PL+EA 14PL+ MA PL+0 lớp phủ 60 40 50 80 14 60 40 20 20 0 10 20Chiều dày 30 lớp phủ40(mm) 50 60 70 Hình 4.17 Ứng suất lớn đường hàn với lớp phủ khác Kết phân tích mẫu sườn hở với khoảng cách sườn 380mm, chiều dày thép 14mm cho thấy việc sử dụng UHPFRC-V làm giảm biến dạng kéo lớp phủ mặt cầu, ứng suất thép so với loại mặt cầu truyền thống Ứng suất thép liên kết thép sườn giảm 50,36 - 77,47 % với lớp phủ mặt cầu epoxy asphalt mastic asphalt Ứng suất (MPa) 4.5.4.2 Kết phân tích cho mẫu kết cấu sườn hở 23 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Những kết đạt luận án 1.1 Luận án lựa chọn vật liệu, thiết kế thành phần cấp phối cho UHPFRC-V cấp 110 MPa, độ chảy 500mm, 2% vi cốt sợi thép (theo thể tích) chế tạo từ vật liệu sẵn có Việt Nam đề nghị ứng dụng mặt cầu thép trực hướng sau: Xi măng PC40; bột quartz, cát quartz nghiền từ đá quartz mỏ quartz Thanh Sơn - Phú Thọ; Muội silic; phụ gia siêu dẻo; sợi thép nước theo tỷ lệ khối lượng xi măng: Xi Cát Bột Muội măng quartz Quartz Silic PC40 (0-0,63) 1,11 0,111 0,25 Phụ gia siêu dẻo 0,0203 Sợi thép d=0,2mm, lf = 13mm 0,178 Nước 0,20 Tính học UHPFRC-V 28 ngày: Cường độ nén đặc trưng 118,54 MPa; Mô đun đàn hồi 42,5 GPa; Cường độ chịu kéo khởi điểm vết nứt đặc trưng 6,47 MPa, biến dạng vết nứt 0,152(0/00); Cường độ chịu kéo lớn sau nứt đặc trưng 6,88 MPa; biến dạng trạng thái vết nứt bắt đầu mở rộng 3,50 (0/00) 1.2 Luận án xây dựng mơ hình vật liệu UHPFRC-V cấp 110MPa sử dụng phân tích, tính tốn kết cấu UHPFRC-V thép trực hướng (Hình 3.26) 1.3 Luận án đề nghị mơ hình sử dụng UHPFRC-V mặt cầu thép trực hướng: - Lớp phủ mặt cầu thép trực hướng UHPFRC-V, dày 50 ÷ 70mm Luận án đề xuất sở để lựa chọn chiều dày lớp phủ UHPFRC-V đảm bảo khả chống nứt (Hình 4.4, Hình 4.6) - Cốt thép bố trí lớp UHPFRC -V, đường kính 8mm, bố trí lưới 100x100 (mm2), chiều dày lớp bê tông bảo vệ 30mm; - Lớp dính bám keo epoxy rắc cốt liệu thơ 3x4 (mm2) lượng đá 2,8 kg/m2 24 1.4 Chứng minh việc ứng dụng UHPFRC-V vào mặt cầu thép trực hướng làm giảm biến dạng lớp phủ mặt cầu, giảm ứng suất thép ứng suất đường hàn liên kết thép chịu tải trọng khai thác theo 22TCN272-05 điều kiện UHPFRC-V không nứt So với lớp phủ mặt cầu epoxy asphalt mastic asphalt Những đóng góp luận án - Nghiên cứu thực nghiệm ứng xử lớp bê tông tính siêu cao thép từ xây dựng mơ hình ứng xử UHPFRC-V sử dụng tính tốn, phân tích kết cấu cầu thép trực hướng - Từ kết nghiên cứu lý thuyết, thực nghiệm, luận án tiến hành khảo sát số trường hợp cụ thể kết cấu mặt cầu thép trực hướng chứng minh hiệu việc ứng dụng UHPFRC-V thép trực hướng so với loại lớp phủ truyền thống Hạn chế đề tài: Luận án chưa nghiên cứu, xem xét đến tượng mỏi, yếu tố nhiệt độ, tải trọng va chạm mặt cầu ứng xử lâu dài khả làm việc lớp liên kết Luận án chưa nghiên cứu hiệu kinh tế việc ứng dụng UHPFRCV thép trực hướng so với loại lớp phủ khác thiết kế cơng trình cầu Kiến nghị hướng nghiên cứu Trên sở kết đạt Luận án kiến nghị phát triển lớp mặt cầu UHPFRC-V tăng cường kết cấu cầu cũ thiết kế mặt cầu thép trực hướng Việt Nam Luận án đề xuất số hướng nghiên cứu : (1) Nghiên cứu ứng xử UHPFRC-V thép trực hướng có xét thêm yếu tố nhiệt độ, tải trọng động (2) Nghiên cứu thực nghiệm ứng xử UHPFRC-V thép trực hướng với quy mô mẫu lớn nhằm kiểm chứng mơ hình vật liệu UHPFRC-V với nhiều trạng thái hình thức chịu tải trọng khác (3) Nghiên cứu hiệu kinh tế giải pháp ứng dụng UHPFRC-V cầu thép trực hướng so với loại lớp phủ khác i DANH MỤC CÔNG TRÌNH CƠNG BỐ CỦA TÁC GIẢ Đặng Văn Sỹ, Phạm Duy Anh (2015) “Phân tích ứng xử uốn mặt cắt liên hợp thép - bê tông chất lượng siêu cao chịu mơ-men âm”, Tạp chí Giao thơng vận tải tháng 10 năm 2015, trang 47 - 49 Đặng Văn Sỹ, Phạm Duy Anh (2015) “ Phát triển mặt cầu bê tông chất lượng siêu cao cho hệ thống mặt cầu thép trực hướng Việt Nam”, Tạp chí Giao thơng vận tải tháng 11 năm 2015, trang 68 - 70 Dang Van Sy, Pham Duy Huu, Tran Viet Hung (2016) “Study on UHPFRC overlay in orthotropic bridge deck in Vietnam”, The 7th International Conference of Asian Concrete Federation (ACF 2016),30/10 - 02/11/2016, Ha Noi, Viet Nam Đặng Văn Sỹ (2016) “Đề xuất giải pháp ứng dụng bê tơng tính siêu cao gia cường cốt sợi cho mặt cầu thép trực hướng”, Tạp chí Giao thơng vận tải số đặc biệt “ Kỷ yếu khoa học trẻ ngành Giao thông vận tải 2016”, tháng năm 2017 ... cấu thép trực hướng có lớp phủ UHPFRC-V 3 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BÊ TƠNG TÍNH NĂNG SIÊU CAO GIA CƯỜNG CỐT SỢI VÀ CÁC NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG TRÊN BẢN THÉP TRỰC HƯỚNG 1.1 Mở đầu Bê tơng tính siêu cao. .. nghiên cứu Trên sở kết đạt Luận án kiến nghị phát triển lớp mặt cầu UHPFRC-V tăng cường kết cấu cầu cũ thiết kế mặt cầu thép trực hướng Việt Nam Luận án đề xuất số hướng nghiên cứu : (1) Nghiên cứu. .. trí bất lợi Hướng nghiên cứu nghiên cứu, ứng dụng Nhật Bản, Hà Lan, Mỹ, Trung Quốc [44], [46], [50], [73], [77] Luận án nghiên cứu nhằm: Chế tạo bê tông tính siêu cao gia cường cốt sợi (UHPFRC)