Đánh giá hiệu quả gia cường cầu bê tông cốt thép thường sử dụng tấm sợi thủy tinh bằng thực nghiệm và phần mềm abaqus

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CHÂU HƯỜNG ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ GIA CƯỜNG CẦU BÊ TÔNG CỐT THÉP THƯỜNG SỬ DỤNG TẤM SỢI THỦY TINH BẰNG THỰC NGHIỆM VÀ PHẦN MỀM ABAQUS LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH GIAO THƠNG Đà Nẵng, Năm 2017 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CHÂU HƯỜNG ĐÁNH GIÁ NĂNG LỰC CHỊU TẢI CỦA MỘT SỐ CẦU TRÊN HỆ THỐNG GIAO THÔNG THUỘC TỈNH TRÀ VINH VÀ GIẢI PHÁP THIẾT KẾ NÂNG CẤP SỬA CHỮA Chun ngành : Kỹ thuật Xây dựng Cơng trình giao thông Mã số : 60.58.02.05 LUẬN VĂN THẠC SĨ Người hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN VĂN MỸ Đà Nẵng, Năm 2017 ii LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi, Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Học viên thực Châu Hường iii ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ GIA CƯỜNG CẦU BÊ TÔNG CỐT THÉP THƯỜNG SỬ DỤNG TẤM SỢI THỦY TINH BẰNG THỰC NGHIỆM VÀ PHẦN MỀM ABAQUS Học viên: Châu Hường Chun ngành: Kỹ thuật xây dựng cơng trình giao thơng Mã số: 60.58.02.05 Khóa: K31.XGT Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN Tóm tắt – Trên giới nói chung hay Việt Nam nói riêng, cụ thể địa bàn tỉnh Trà Vinh việc xây dựng sở hạ tầng với nguồn kinh phí hạn chế khó khăn Nên việc tìm hiểu biện pháp gia cường cần thiết Ngoài việc gia cường sức kháng cầu phương pháp dán thép, cáp dự ứng lực ngoài, tăng cường mở rộng tiết diện tiếp cận từ tỉnh bạn việc sử dụng sợi composite cịn mẻ cơng tác kỹ thuật xây dựng tỉnh Trà Vinh Song song việc kết hợp vật liệu composite với loại chất dẻo có nhiều loại, tác giả tập trung nghiên cứu hiệu tăng cường sức kháng cầu bê tông cốt thép thường với đối tượng cụ thể sợi thủy tinh GFRP với hai loại keo Sikadur 330 keo Epoxy TCK 1400 Hiệu việc sử dụng sợi GFRP với hai loại keo tác giả đánh giá từ kết tính tốn lý thuyết, mơ số phần mềm Abaqus mơ hình thực nghiệm Kết góp phần bổ sung vào kho liệu biện pháp gia cường cầu Đây tiền đề để có so sánh lựa chọn biện pháp gia cường tương lai Từ khóa – Cầu bê tơng cốt thép thường, sợi thủy tinh, gia cường sức kháng, Abaqus, thực nghiệm EVALUATION ON THE EFFECTIVENESS OF STRENGTHENING BY GFRP SHEETS FOR NORMAL REINFORCED CONCRETE BRIDGE BY USING EMPIRICAL MODEL AND ABAQUS SOFTWARE Abstract - At today’s over the world generally and particularly in Vietnam, especially in Tra Vinh area, new construction of infrastructure with limited budged is really a challenge As such, it is necessary to study for strengthening measures Beside bridge resistence strengthening done by steel plate adhering, external prestressed cable, maximizing cross section extension that inherited from neighbor provinces, the use of composite fiber sheets is still quite new technique in construction work at Tra Vinh In addition to that, there are various types of combination between composite materials and base resins In this document, the writer focus his study on resistence strengthening effectiveness for normal reinforced concrete bridge and specific subject is combination between GFRP sheets and types of epoxy adhesive resins Sikadur 330 and Epoxy TCK 1400 The effectiveness of this method is assessed based on theorical calculation, numerical simulation by using Abaqus software and experimental model Such results will be added in the bridge strengthening methods database which will serve as a prerequisite for future comparision as well as selection of strengthening methods Keywords - normal re-inforced concrete, GFRP sheets, resistence strengthening, Abaqus, experimental model iv MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i LỜI CAM ĐOAN ii MỤC LỤC iv DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT vi DANH MỤC BẢNG vii DANH MỤC CÁC HÌNH viii MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết đề tài Đối tượng nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu đề tài Phương pháp nghiên cứu Chương 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC BIỆN PHÁP GIA CƯỜNG 1.1 Tổng quan cầu bê tông cốt thép thường 1.2 Một số biện pháp gia cường cầu cũ 1.2.1 Gia cường thép 1.2.2 Gia cường căng cáp dự ứng lực 1.2.2.1 Phạm vi áp dụng 1.2.2.2 Ưu điểm 1.2.2.3 Nhược điểm 1.2.3 Tăng cường mở rộng tiết diện 1.2.3.1 Phạm vi áp dụng 1.2.3.2 Ưu điểm 1.2.3.3 Nhược điểm 1.2.4 Gia cường vật liệu composite 1.2.4.1 Phạm vi áp dụng 1.2.4.2 Nguyên tắc cấu tạo 1.2.4.3 Biện pháp thi công 10 1.2.4.4 Ưu, nhược điểm 11 1.2.4.5 Ứng dụng 12 1.3 Xu hướng áp dụng biện pháp gia cường 14 1.4 Những vấn đề cịn gặp phải cơng tác sửa chữa, gia cường cầu 14 1.5 Kết luận 15 Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TỐN DẦM BTCT GIA CƯỜNG GFRP 16 2.1 Phương pháp tính tốn truyền thống 16 v 2.1.1 Các giả thiết 16 2.1.2 Tính tốn dầm đối chứng 16 2.1.3 Tính tốn gia cường GFRP 19 2.2 Phương pháp tính tốn phương pháp phần tử hữu hạn 23 2.2.1 Cơ sở tính tốn theo phương pháp phần tử hữu hạn 23 2.2.2 Cơ sở lý thuyết tính tốn phần mềm Abaqus 23 2.3 Bài toán quy đổi 24 2.3.1 Cơ sở quy đổi [7] 24 2.3.2 Bài toán nghiên cứu 24 2.3.2.1 Lựa chọn dầm thí nghiệm 24 2.3.2.2 Tính tốn gia cường dầm thực tế 26 2.3.3 Sức kháng uốn, kháng cắt dầm thực tế chưa gia cường 27 2.3.4 Tính tốn gia cường GFRP dầm thực tế: 27 2.4.Tính tốn phương pháp truyền thống 30 2.4.1 Sức kháng uốn, kháng cắt dầm đối chứng thực nghiệm 30 2.4.2 Tính tốn sức kháng dầm thí nghiệm gia cường GFRP 30 2.5 Tính tốn phần mềm Abaqus 34 2.5.1 Mơ hình phần mềm Abaqus 34 2.6 Kết luận: 42 Chương 3: BÀI TOÁN THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ GIA CƯỜNG 43 3.1 Cơ sở toán thực nghiệm 43 3.1.1 Q trình chế tạo dầm thí nghiệm 44 3.1.2 Quá trình gia cường 49 3.1.3 Quá trình thí nghiệm 50 3.2 Kết thí nghiệm 51 3.2.1 Kết thí nghiệm q trình nén tạo nứt 51 3.2.2 Kết thí nghiệm dầm chưa gia cường 52 3.2.3 Kết thí nghiệm dầm gia cường GFRP 53 3.2.4 Kết thí nghiệm dầm gia cường GFRP keo sikadur 330 keo TCK 1400 55 3.3 Đánh giá hiệu gia cường sức kháng uốn, kháng cắt 56 3.4 Kết luận 56 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 58 TÀI LIỆU THAM KHẢO 59 PHỤ LỤC 60 vi DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT BTCT FRP GFRP tinh) CFRP carbon) AFRP aramid) ACMA TCN PPPTHH TTGH CĐ TTGH SD : Bê tông cốt thép : Fiber Reinforced Polymer (Vật liệu Polime) : Glass Fiber Reinforced Polymer (Vật liệu Polime sợi thủy : Carbon Fiber Reinforced Polymer (Vật liệu Polime sợi : Aramid Fiber Reinforced Polymer (Vật liệu Polime sợi : American Composite Manufactures Association ( Hiệp hội Doanh nghiệp sản xuất composite Mỹ) : Tiêu chuẩn ngành : Phương pháp phần tử hữu hạn : Trạng thái giới hạn Cường độ : Trạng thái giới hạn Sử dụng vii DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu bảng 1-1 1-2 2-1 2-2 2-3 2-4 2-5 2-6 3-1 3-2 P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 P9 P10 P11 P12 P13 P14 P15 Tên bảng So sánh đặc trưng ba loại sợi theo Meier 1994 So sánh đặc trưng học sợi thủy tinh khác với thép Thông số kĩ thuật dầm thực tế giả định Thơng số kĩ thuật dầm thí nghiệm Tổ hợp nội lực theo TTGH CĐ Kích thước vật liệu gia cường Kết sức kháng lý thuyết Kết sức kháng theo phân tích phần mềm Momen giới hạn Lực cắt giới hạn Số liệu vẽ biểu đồ hình 2-8 Số liệu vẽ biểu đồ hình 2-9 Số liệu vẽ biểu đồ hình 2-10 Số liệu vẽ biểu đồ hình 2-27 Số liệu vẽ biểu đồ hình 2-28 Số liệu vẽ biểu đồ hình 2-29 Số liệu vẽ biểu đồ hình 3-17 Số liệu vẽ biểu đồ hình 3-18 Số liệu vẽ biểu đồ hình 3-19 Số liệu vẽ biểu đồ hình 3-20 Số liệu vẽ biểu đồ hình 3-21 Số liệu vẽ biểu đồ hình 3-22 Số liệu vẽ biểu đồ hình 3-23 Số liệu vẽ biểu đồ hình 3-24 Số liệu vẽ biểu đồ hình 3-25 Trang 24 25 26 29 32 40 56 56 60 60 61 62 62 63 63 64 64 65 66 67 68 69 70 viii DANH MỤC CÁC HÌNH Số hiệu Tên hình hình 0-1 Tính cấp thiết việc gia cường cầu cũ 0-2 Hiện trạng cầu Việt Nam năm 2014 1-1 Biểu đồ thể phân bố ứng dụng vật liệu composite Mỹ năm 2004 (Nguồn ACMA) 1-2 Một số dạng vật liệu GFRP10 1-3 Phát họa Cầu Grandal (Taljsten and Carolin, 2003) 1-4 Cầu Grandal.Bên (Trái), bên (Phải) 1-5 Cầu Hói Rui Km867+785 –Huế gia cố vật liệu FRP 1-6 Sửa chữa gia cường cho dầm cầu Thừa Lưu QL1A-Huế 1-7 Sửa chữa gia cường cầu Ngòi Cát QL70 – Lào Cai 2-1 Mặt cắt ngang dầm chưa gia cường 2-2 Tính tốn sức kháng uốn dầm đối chứng 2-3 Mơ hình tính tốn gia cường sức kháng uốn 2-4 Mơ hình tính tốn gia cường sức kháng cắt 2-5 Giao diện phần mềm Abaqus 6.13 2-6 Mặt cắt ngang dầm thực tế 2-7 Mặt cắt ngang dầm thí nghiệm 2-8 Quan hệ tải trọng-ứng suất dầm đối chứng 2-9 Quan hệ tải trọng-ứng suất dầm gia cường GFRP 2-10 Quan hệ tải trọng-độ võng theo kết tính tốn lý thuyết 2-11 Mơ hình dầm bê tơng 2-12 Mơ hình tồn hệ thống cốt thép 2-13 Mơ hình GFRP 2-14 Thiết lập vật liệu cốt thép dọc 2-15 Gán mặt cắt vào cấu kiện dầm bê tông 2-16 Lắp ghép cấu kiện 2-17 Thiết lập phân tích 2-18 Thiết lập ràng buộc 2-19 Thiết lập tải trọng 2-20 Thiết lập điều kiện biên 2-21 Chia lưới dầm bê tông 2-22 Chia lưới vật liệu gia cường GFRP Trang 1 12 13 13 13 14 16 17 19 22 23 25 26 32 33 33 34 35 35 35 36 36 37 37 38 38 38 39 60 PHỤ LỤC Bảng P1: Số liệu vẽ biểu đồ hình 2-8 Ứng suất STT Cấp tải (N) (Mpa) 0.00 2000 1.03 4000 1.65 6000 2.26 8000 2.88 Bảng P2: Số liệu vẽ biểu đồ hình 2-9 Ứng suất STT Cấp tải (N) (Mpa) 0.00 2000 7.70 4000 12.33 6000 16.95 8000 21.57 10000 26.19 12000 30.81 14000 35.43 16000 40.05 10 18000 44.67 11 20000 49.29 12 22000 53.91 13 24000 58.53 14 26000 63.15 15 28000 67.77 16 30000 72.39 17 32000 77.01 18 34000 151.32 19 36000 296.05 20 38000 440.79 61 STT 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Bảng P3: Số liệu vẽ biểu đồ hình 2-10 Độ võng (mm) Cấp tải Dầm đối Dầm gia cường (N) chứng GFRP 0 0.00 2000 0.18 0.18 4000 0.29 0.28 6000 0.39 0.39 8000 0.67 0.63 10000 1.28 1.08 12000 1.74 1.48 14000 2.1 1.80 16000 2.45 2.09 18000 2.78 2.39 20000 3.12 2.67 22000 3.45 2.96 24000 3.78 3.25 26000 4.11 3.53 28000 4.43 3.81 30000 4.76 4.09 32000 5.09 4.37 34000 5.42 4.66 36000 5.74 4.94 38000 5.22 62 Bảng P4: Số liệu vẽ biểu đồ hình 2-27 Cấp tải Ứng suất STT (N) (Mpa) 0 2000 0.55 4000 1.1 6000 1.65 8000 2.19 10000 2.84 Bảng P5: Số liệu vẽ biểu đồ hình 2-28 STT Cấp tải (N) Ứng suất (Mpa) 0 2000 4.68 4000 9.38 6000 13.19 8000 16.86 10000 20.86 12000 25.32 14000 36.09 16000 45.36 10 18000 56.15 11 20000 65.21 12 22000 73.57 13 24000 80.07 14 26000 86.15 15 28000 91.95 16 30000 113.97 17 32000 165.59 18 34000 320.00 19 35000 770.00 63 STT 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 STT Bảng P6: Số liệu vẽ biểu đồ hình 2-29 Độ võng (mm) Cấp tải (N) Dầm đối chứng Dầm gia cường GFRP 0 2000 0.25 0.18 4000 0.48 0.35 6000 0.71 0.59 8000 1.02 0.8 10000 1.35 1.01 12000 1.87 1.29 14000 2.42 1.67 16000 3.03 2.17 18000 3.69 2.75 20000 4.38 3.26 22000 5.07 3.82 24000 5.72 4.46 26000 6.47 5.06 28000 5.62 30000 6.33 32000 7.05 34000 7.74 35000 8.32 Bảng P7: Số liệu vẽ biểu đồ hình 3-17 Độ võng Cấp tải Lý thuyết Dầm Dầm 0.00 0.00 0.00 2000 0.13 0.11 0.10 4000 0.21 0.23 0.17 6000 0.28 0.33 0.27 8000 0.39 0.47 0.39 Dầm 0.00 0.10 0.18 0.23 0.34 64 STT Stt Bảng P8: Số liệu vẽ biểu đồ hình 3-18 Ứng suất Cấp tải Lý thuyết Dầm Dầm 0.00 0.00 0.00 2000 1.03 1.08 1.05 4000 1.65 1.74 1.58 6000 2.26 2.16 2.33 8000 2.88 2.80 2.99 Bảng P9: Số liệu vẽ biểu đồ hình 3-19 Ứng suất (Mpa) Cấp Tải (N) Lý thuyết Phần mềm Thực nghiệm 0 0 2000 1.03 0.55 1.05 4000 1.65 1.10 1.58 6000 2.26 1.65 2.33 8000 2.88 2.19 2.99 Dầm 0.00 1.02 1.88 2.35 3.07 65 Bảng P10: Số liệu vẽ biểu đồ hình 3-20 Độ võng (mm) Cấp Tải Stt (N) Lý thuyết Phần mềm Thực nghiệm 0 0 2000 0.18 0.25 0.22 4000 0.29 0.48 0.46 6000 0.39 0.71 0.68 8000 0.67 1.02 0.9 10000 1.28 1.35 1.11 12000 1.74 1.87 1.43 14000 2.1 2.42 1.92 16000 2.45 3.03 2.6 10 18000 2.78 3.69 3.19 11 20000 3.12 4.38 3.72 12 22000 3.45 5.07 4.31 13 24000 3.78 5.72 4.98 14 26000 4.11 6.47 5.62 15 28000 4.43 6.19 16 30000 4.76 6.85 17 32000 5.09 7.57 18 34000 5.42 8.27 19 36000 5.74 66 Bảng P11: Số liệu vẽ biểu đồ hình 3-21 Ứng suất (Mpa) Cấp Tải Stt (N) Lý thuyết Phần mềm Thực nghiệm 0 0 2000 7.70 4.68 1.55 4000 12.33 9.38 3.24 6000 16.95 13.19 6.32 8000 21.57 16.86 8.66 10000 26.19 20.86 11.56 12000 30.81 25.32 15.11 14000 35.43 36.09 18.87 16000 40.05 45.36 23.83 10 18000 44.67 56.15 30.36 11 20000 49.29 65.21 36.20 12 22000 53.91 73.57 41.38 13 24000 58.53 80.07 47.88 14 26000 63.15 86.15 53.96 15 28000 67.77 91.95 59.88 16 30000 72.39 113.97 73.79 17 32000 77.01 165.59 18 34000 151.32 320.00 19 36000 296.05 770.00 20 38000 440.79 67 Bảng P12: Số liệu vẽ biểu đồ hình 3-22 Độ võng (mm) Cấp Tải Stt (N) Lý thuyết Phần mềm Thực nghiệm 0 0 2000 0.18 0.18 0.13 4000 0.28 0.35 0.26 6000 0.39 0.59 0.50 8000 0.63 0.80 0.67 10000 1.08 1.01 0.90 12000 1.48 1.29 1.15 14000 1.80 1.67 1.41 16000 2.09 2.17 1.75 10 18000 2.39 2.75 2.29 11 20000 2.67 3.26 2.84 12 22000 2.96 3.82 3.32 13 24000 3.25 4.46 3.91 14 26000 3.53 5.06 4.50 15 28000 3.81 5.62 5.03 16 30000 4.09 6.33 5.78 17 32000 4.37 7.05 18 34000 4.66 7.74 19 36000 4.94 8.32 20 38000 5.22 68 Bảng P13: Số liệu vẽ biểu đồ hình 3-23 Độ võng (mm) Cấp tải STT (N) Dầm đối chứng Dầm gia cường GFRP 0 2000 0.22 0.13 4000 0.46 0.26 6000 0.68 0.5 8000 0.9 0.67 10000 1.11 0.9 12000 1.43 1.15 14000 1.92 1.41 16000 2.6 1.75 10 18000 3.19 2.29 11 20000 3.72 2.84 12 22000 4.31 3.32 13 24000 4.98 3.91 14 26000 5.62 4.5 15 28000 6.19 5.03 16 30000 6.85 5.78 17 32000 7.57 18 34000 8.27 69 Bảng P14: Số liệu vẽ biểu đồ hình 3-24 Ứng suất (Mpa) GFRP dán GFRP dán STT Cấp tải keo sikadur 330 keo Epoxy TCK 1400 0 2000 2.64 1.55 4000 6.07 3.24 6000 9.68 6.32 8000 13.55 8.66 10000 17.25 11.56 12000 21.03 15.11 14000 24.79 18.87 16000 28.62 23.83 10 18000 32.54 30.36 11 20000 36.68 36.20 12 22000 41.26 41.38 13 24000 47.01 47.88 14 26000 52.39 53.96 15 28000 58.29 59.88 16 30000 65.43 73.79 70 Bảng P15: Số liệu vẽ biểu đồ hình 3-25 Độ võng (mm) Dầm gia cường GFRP Dầm gia cường dán GFRP dán STT Cấp tải keo sikadur 330 keo Epoxy TCK 1400 0 2000 0.22 0.13 4000 0.48 0.26 6000 0.76 0.5 8000 1.07 0.67 10000 1.36 0.9 12000 1.66 1.15 14000 1.95 1.41 16000 2.25 1.75 10 18000 2.55 2.29 11 20000 2.88 2.84 12 22000 3.28 3.32 13 24000 3.81 3.91 14 26000 4.27 4.5 15 28000 4.79 5.03 16 30000 5.43 5.78 ... văn trung thực chưa công bố công trình khác Học viên thực Châu Hường iii ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ GIA CƯỜNG CẦU BÊ TÔNG CỐT THÉP THƯỜNG SỬ DỤNG TẤM SỢI THỦY TINH BẰNG THỰC NGHIỆM VÀ PHẦN MỀM ABAQUS Học... hiệu gia cường cầu bê tông cốt thép thường sử dụng sợi thủy tinh thực nghiệm phần mềm Abaqus? ?? Đối tượng nghiên cứu - Cơng trình cầu bê tơng cốt thép thường - Phần mềm tính tốn Abaqus Phạm vi... chứng hiệu gia cường phần mềm Abaqus - Kiểm chứng hiệu gia cường mơ hình thực nghiệm - Đánh giá hiệu biện pháp gia cường sợi thủy tinh Phương pháp nghiên cứu - Tính tốn gia cường cho cơng trình cầu