Nghiên cứu hiệu quả các biện pháp gia cường sức kháng uốn sử dụng bản thép và mở rộng tiết diện bằng thực nghiệm và mô hình số

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TRẦN TRUNG NHÂN NGHIÊN CỨU HIỆU QUẢ CÁC BIỆN PHÁP GIA CƯỜNG SỨC KHÁNG UỐN SỬ DỤNG BẢN THÉP VÀ MỞ RỘNG TIẾT DIỆN BẰNG THỰC NGHIỆM VÀ MƠ HÌNH SỐ LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH GIAO THÔNG Đà Nẵng – Năm 2017 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TRẦN TRUNG NHÂN NGHIÊN CỨU HIỆU QUẢ CÁC BIỆN PHÁP GIA CƯỜNG SỨC KHÁNG UỐN SỬ DỤNG BẢN THÉP VÀ MỞ RỘNG TIẾT DIỆN BẰNG THỰC NGHIỆM VÀ MƠ HÌNH SỐ Chun ngành: Kỹ thuật Xây dựng Cơng trình giao thơng Mã số: 60.58.02.05 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH GIAO THÔNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS CAO VĂN LÂM Đà Nẵng – Năm 2017 iii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i CAM ĐOAN ii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT vi MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC BẢNG vii DANH MỤC CÁC HÌNH viii MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết đề tài Đối tượng nghiên cứu đề tài 3 Phạm vi nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu đề tài Phương pháp nghiên cứu Kết cấu đề tài: .4 Chương - TỔNG QUAN VỀ CÁC BIỆN PHÁP GIA CƯỜNG 1.1.Tổng quan cầu BTCT thường 1.2.Các biện pháp gia cường cầu cũ: .7 1.2.1 Gia cường tăng cường tiết diện .7 1.2.2 Gia cường dán thép 10 1.3.Xu hướng áp dụng biện pháp gia cường 12 1.4.Những vấn đề cịn gặp phải cơng tác sửa chữa, gia cường cầu: 12 Chương - CƠ SỞ LÝ THUYẾT 14 2.1 Phương pháp tính tốn truyền thống: 14 2.1.1 Các giả thiết 14 2.1.2 Tính tốn dầm chưa gia cường: .14 2.1.3 Tính tốn dầm gia cường sức kháng uốn thép 16 2.1.4 Tính tốn dầm gia cường tăng cường tiết diện: 16 2.2 Tính tốn phương pháp phần tử hữu hạn 16 2.2.1 Cơ sở tính tốn theo phương pháp phần tử hữu hạn 16 2.2.2 Cơ sở lý thuyết tính tốn phần mềm Abaqus 17 2.3 Bài tốn tính tốn gia cường: 18 2.3.1 Cơ sở quy đổi: 18 2.3.2 Kích thước quy đởi dầm thí nghiệm 18 2.4 Tính tốn gia cường dầm thực tế phương pháp truyền thống: .20 2.4.1 Sức kháng uốn dầm chưa gia cường (0,5HL93): 21 2.4.2 Sức kháng uốn dầm gia cường thép (0,65HL93): 21 2.4.3 Sức kháng uốn dầm gia cường mở rộng tiết diện (0,65HL93): 21 2.5 Tính tốn dầm thí nghiệm phương pháp truyền thống: 22 iv 2.5.1 Sức kháng uốn dầm thí nghiệm chưa gia cường: 22 2.5.2 Sức kháng uốn dầm thí nghiệm gia cường thép: .22 2.5.3 Sức kháng uốn dầm thí nghiệm gia cường mở rộng tiết diện: 22 2.6 Tính tốn dầm thí nghiệm phần mềm Abaqus: 23 Chương - BÀI TOÁN THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ GIA CƯỜNG 31 3.1 Cơ sở toán thực nghiệm: 31 3.2 Quá trình tiến hành thực nghiệm 32 3.2.1 Cấu tạo dầm thí nghiệm 32 3.2.2 Q trình chế tạo dầm thí nghiệm 32 3.2.3 Quá trình nén tạo nứt dầm 35 3.2.4 Quá trình gia cường 37 3.2.5 Quá trình gia tải nén phá hủy 39 3.3 Kết thực nghiệm 42 3.3.1 Ứng suất, độ võng trình nén tạo nứt: .43 3.3.2 Xét dầm đối chứng: 44 3.3.3 Dầm gia cường dán thép: 45 3.3.4 Dầm gia cường mở rộng tiết diện: 46 3.4 So sánh đánh giá hiệu thực nghiệm, lý thuyết phần mềm Abaqus .47 3.5 Kết luận 49 KẾT LUẬN 50 TÀI LIỆU THAM KHẢO QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (Bản sao) v “NGHIÊN CỨU HIỆU QUẢ CÁC BIỆN PHÁP GIA CƯỜNG SỨC KHÁNG UỐN SỬ DỤNG BẢN THÉP VÀ MỞ RỘNG TIẾT DIỆN BẰNG THỰC NGHIỆM VÀ MƠ HÌNH SỐ” Học viên: Trần Trung Nhân Chun ngành: Kỹ thuật Xây dựng Cơng trình giao thơng Khóa: 31 Trường Đại học Bách khoa – ĐHĐN Tóm tắt - Việc đầu tư cho sở hạ tầng nhu cầu cần thiết để thúc đẩy phát triển kinh tế Nhưng muốn nâng tải trọng cầu phải xây điều lãng phí cầu sử dụng tốt vài cấu kiện tồn kết cấu khơng đảm bảo sức chịu tải tăng tải trọng, việc tăng cường gia cường kết cấu trọng Trong dầm cấu kiện phở biến Nghiên cứu đề xuất cho biện pháp gia cường dầm cầu bê tông cốt thép thường hai phương pháp: dán thép mở rộng tiết diện Từ kết nghiên cứu so sánh khả chịu lực tăng tải trọng, nhầm chọn phương pháp phù hợp địa phương trường hợp khác Ở phần nghiên cứu nén tạo nứt dầm trước gia cường để mô gần với thực tế làm việc dầm cầu bê tông cốt thép cũ Khi làm việc có phương pháp: tính gia cường lý thuyết cổ điển, phần mềm Abaqus kiểm chứng thực nghiệm cho ta nhiều kết quả, từ xác định phương pháp gia cường tốt cách thiết kế gia cường xác cần Từ khóa – Biện pháp gia cường; bê tông cốt thép thường; dán thép; mở rộng tiết diện; thực nghiệm “STUDY ON THE EFFECTIVENSS OF BENDING RESISTANCE STRENGTHENING BY STEEL PLATES AND CROSS SECTION EXTENSION WITH EMPIRICAL MODEL AND ABAQUS SOFTWARE” Abstract - Infrastructural investment is a vital need for acceleration of economic development But it would be a huge waste for construction of new bridge if we only want to increase bridge load, in case where bridge is in good operational condition except few structural components could not meet the load increment requirement As such, resistance strengthening for steel structures is utmost important while girders are most common items This study aims to propose bridge girder strengthening method for normal reinforced concrete bridges by two techniques: steel plate adherence and cross section expansion Based on the comparative outcomes when studying load resistance capacity during load increment, it would be able to select one best and suitable method depending on the location and specific case In this study, we will create a crack at a girder by compressing prior to strengthening in order to simulate the actual working girder of an old normal reinforced concrete bridge We will get various outputs from three working techniques: strengthening theoretical calculation, by Abaqus software and verification of experimental model, that would help to determine which one is best strengthening method and most accurate design for strengthening when necessary Key words - strengthening method, reinforced concrete, steel plate adherence, cross-section expansion, experimental model vi DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT BTCT DƯL ĐBVN GTVT PPPTHH PTVPTP TCN TCTD TTGH CĐ TTGH SD : Bê tông cốt thép : Dự ứng lực : Đường Việt Nam : Giao thông vận tải : Phương pháp phần tử hữu hạn : Phương trình vi phân phần : Tiêu chuẩn ngành : Tăng cường tiết diện : Trạng thái giới hạn Cường độ : Trạng thái giới hạn Sử dụng vii DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu bảng 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 3.1 3.2 Tên bảng Thông số kĩ thuật dầm thực tế Thông số kĩ thuật dầm thí nghiệm Tở hợp nội lực theo TTGH CĐ So sánh kết tính tốn nâng tải trọng lên 0,65HL93 Quy đởi kích thước vật liệu gia cường theo dầm thí nghiệm So sánh kết tính tốn theo lý thuyết cở điển tải trọng 0,65HL93 dầm thí nghiệm So sánh kết lý thuyết phần mềm Abaqus Bố trí số lượng dầm thí nghiệm gia cường Kết mơ men giới hạn Trang 18 19 20 21 22 23 29 32 48 viii DANH MỤC CÁC HÌNH Số hiệu hình 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 2.10 2.11 2.12 2.13 2.14 2.15 2.16 2.17 2.18 2.19 2.20 2.21 2.22 2.23 2.24 3.1 3.2 Tên hình Cần thiết việc nghiên cứu gia cường Hiện trạng cầu Việt Nam năm 2014 Xe tải qua cầu yếu Gia cường tăng cường tiết diện Hình ảnh thực tế gia cường tăng cường tiết diện Tăng cường khả chịu uốn dầm bê tông cốt thép Gia cường thép dầm BTCT thường Cầu Bà Rén (Quảng Nam) Mặt cắt ngang dầm chưa gia cường Mơ hình tính toán gia cường sức kháng uốn dán thép Giao diện phần mềm Abaqus 6.13 Mặt cắt ngang dầm thực tế Mặt cắt ngang dầm thí nghiệm Thí nghiệm vật liệu gia cường Mơ hình dầm bê tơng Mơ hình tồn hệ thống cốt thép Mơ hình vật liệu gia cường uốn Thiết lập vật liệu cốt thép dọc Gán mặt cắt vào cấu kiện dầm bê tông Lắp ghép cấu kiện Thiết lập phân tích Thiết lập ràng buộc Thiết lập tải trọng Thiết lập điều kiện biên Chia lưới dầm bê tông Chia lưới vật liệu gia cường uốn Chia lưới hệ thống cốt thép Thiết lập công việc Chuyển vị dầm gia cường thép Phổ ứng suất cốt thép dầm Phổ ứng suất dầm gia cường thép Quan hệ lý thuyết phần mềm Abaqus Sơ đồ bố trí tải trọng uốn Kích thước bố trí cốt thép dầm thí nghiệm Trang 2 10 10 11 14 16 17 19 20 22 24 24 24 25 25 25 26 26 26 27 27 27 27 28 28 28 29 29 31 32 41 Hình 3.21: Tiến hành gia tải ghi số liệu tìm vết nứt Hình 3.22: Dầm bắt đầu nứt bị phá hủy Một số hình ảnh trình nén phá hủy dầm g/c mở rộng tiết diện: Hình 3.23: Lắp đặt đồng hồ chuyển vị dây rung đo biến dạng 42 Hình 3.24: Tiến hành gia tải ghi số liệu tìm vết nứt Hình 3.25: Dầm bắt đầu nứt bị phá hủy 3.3 Kết thực nghiệm Hình 3.26: Dầm sau thí nghiệm gia cường sức kháng uốn thép 43 Hình 3.27: Dầm sau thí nghiệm gia cường sức kháng uốn TCTD 3.3.1 Ứng suất, độ võng trình nén tạo nứt Tiến hành nén tạo nứt trước gia cường nhầm mục đích mơ gần với thực tế làm việc dầm cầu bê tông cốt thép cũ vật liệu gia cường Hình 3.28: Quan hệ tải trọng – độ võng trình nén tạo nứt dầm 44 Hình 3.29: Quan hệ tải trọng - ứng suất trình nén tạo nứt dầm Nhận xét: Dựa vào biểu đồ hình 3.28 3.29, ta thấy sai số thực nghiệm tính tốn lý thuyết tương đối nhỏ (ứng suất 5,34% độ võng 17,84%) lúc dầm bắt đầu xuất vết nứt, chiều cao dầm thay đởi khơng nhiều, số liệu tính tốn gần Lý xuất sai số trình chế tạo dầm: vị trí đặt cốt thép, cấp phối bê tông 3.3.2 Xét dầm đối chứng Để đánh giá hiệu biện pháp gia cường cần phải xét đến dầm đối chứng để so sánh kết Hình 3.30: Quan hệ tải trọng - ứng suất dầm khơng gia cường 45 Hình 3.31: Quan hệ tải trọng – độ võng dầm không gia cường Nhận xét: - Dựa vào biểu đồ hình 3.30 (Quan hệ tải trọng - ứng suất ) ta thấy: Ứng suất thể ứng suất kéo bê tông, kiểm soát tải trọng nứt (8000N) sau nứt bê tơng khơng cịn khả nhận ứng suất Ta thấy sai số thực nghiệm, lý thuyết phần mềm tương đối nhỏ, đặt biệt lý thuyết thực nghiệm khơng có nhiều sai lệch cho thấy tính tốn lý thuyết cở điển gần xác - Sai số độ võng giai đoạn nứt tương đối nhỏ, sau nứt có phát triển vết nứt độ cứng suy giảm dẫn đến sai số tăng lớn - Ở giai đoạn vừa nứt thực nghiệm phần mềm độ võng không tăng đột biến tải trọng lớn độ võng tăng; lý thuyết - độ võng không tăng nhanh tải trọng tăng - Biểu đồ thể độ võng phần mềm gần tương đương thực nghiệm, dùng kết phần mềm để dự báo độ võng 3.3.3 Dầm gia cường dán thép Hình 3.32: Quan hệ tải trọng - ứng suất dầm gia cường thép 46 Hình 3.33: Quan hệ tải trọng – độ võng dầm gia cường thép Nhận xét: - Dựa vào biểu đồ quan hệ tải trọng-ứng suất hình 3.32 ứng suất thực nghệm lý thuyết tương đối tuyến tính Đến lúc bê tơng đáy dầm nứt vị trí dán dây rung khơng thể tính ứng suất thơng qua biến dạng - Dựa vào biểu đồ quan hệ tải trọng-ứng suất hình 3.32 quan hệ tải trọng-độ võng hình 3.33 ta thấy sai số đo đạc thực nghiệm tính tốn lý thuyết tương đối lớn (sai số ứng suất 25,51%, sai số độ võng 18,06%), cần tiến hành thêm nhiều thí nhiệm để kết đánh giá xác - Còn dựa vào kết phần mềm đo đạc thực nghiệm, ứng suất phần mềm chiếm khoảng 35,15% so với thực nghiệm độ võng phần mềm chiếm khoảng 49,03% so với thực nghiệm - Độ võng lý thuyết thực nghiệm tương đối gần phần mềm, sử dụng số liệu tính tốn lý thuyết để dự đoán cho thực nghiệm, sau vết nứt lớn độ cứng giảm, dầm thực nghiệm có độ võng nhiều 3.3.4 Dầm gia cường mở rộng tiết diện Hình 3.34: Quan hệ tải trọng-ứng suất dầm mở rộng tiết diện 47 Hình 3.35: Quan hệ tải trọng-độ võng dầm mở rộng tiết diện Nhận xét: - Ứng suất thể ứng suất kéo bê tơng, chúng tơi kiểm sốt tải trọng nứt sau nứt bê tơng khơng cịn khả nhận ứng suất Ta thấy sai số ứng suất tương đối nhỏ - Sai số ứng suất phần mềm thực nghiệm tương đối nhỏ - Sai số độ võng lý thuyết cổ điển PTHH so với thực nghiệm tương đối lớn, kết phần mềm thực nghiệm gần khơng có sai số - Đối với dầm mở rộng tiết diện sử dụng phần mềm để dự đoán ứng suất độ võng cho dầm thực tế 3.4 So sánh đánh giá hiệu thực nghiệm, lý thuyết phần mềm Abaqus Hình 3.36: Quan hệ tải trọng – độ võng theo lý thuyết 48 Hình 3.37: Quan hệ tải trọng – độ võng đo thực nghiệm phương pháp gia cường gia tải đến cấp tải 3,4T (dầm đối chứng phá hủy tải 3,6T) Hình 3.38: Quan hệ tải trọng – độ võng đo thực nghiệm phương pháp gia cường cấp tải phá hủy Bảng 3.2: Kết mô men giới hạn Độ dự trữ Độ dự trữ Mômen lý thuyết phần mềm giới hạn Lý thuyết Phần mềm Thực nghiệm thực thực (KNm) nghiệm nghiệm Đối chứng 15,24 13,66 18,67 18,37% 26,83% Dán 23,39 20,66 27,66 15,44% 25,31% thép Mở rộng tiết 21,28 18,70 22,67 6,13% 17,51% diện 49 Nhận xét: - Từ bảng so sánh 3.2 ta thấy lý thuyết nhỏ thực nghiệm có xét đến hệ số an tồn Mơ men giới hạn có độ trữ an toàn lý thuyết thực nghiệm từ 6,13% đến 18,37%, độ trữ an toàn phần mềm thực nghiệm từ 17,51% đến 26,83% - Theo tính tốn lý thuyết dầm mở rộng tiết diện có độ cứng lớn nhất, độ võng nhỏ nhất, dầm gia cường dán thép lại bị phá hủy cấp tải lớn - Theo thực nghiệm dầm chưa nứt (tải trọng nhỏ tải trọng gây lực