Các dầm sau khi đúc đạt 100% cường độ sẽ tiến hành uốn. Các dầm được đánh số và ký hiệu để nhận biết. Dầm được kê kích và sử dụng thiết bị kích 100T ở phịng Trung tâm thí nghiệm Đại học GTVT để uốn dầm (Hình 3.7)
Hình 3.7 Thí nghiệm uốn dầm
Sử dụng thiết bị kích cĩ năng lực 100T để gia tải. Để đo tải trọng tác dụng lên dầm sử dụng load cell đặt trên đỉnh dầm như Hình 3.8. Đầu cảm biến đo độ võng được gắn ở giữa nhịp, mặt trước dầm và kết nối với thiết bị do. Các sen xơ đo biến dạng trong bê tơng, cốt dọc và đai như Hình 3.2 được kết nối với thiết bị đo. Dầm được gia tải theo từng cấp. Tốc độ gia tải theo mối liên hệ tải trọng (P) và biến dạng.
Tải trọng được truyền xuống dầm thơng qua gối kê trên đỉnh dầm, khoảng cách giữa hai gối phụ là 60cm. Sử dụng hai gối thép kê dầm cao 70cm, đảm bảo sơ đồ làm việc của dầm thử nghiệm.
Kết quả và phân tích kết quả
Kết quả thí nghiệm được xem xét gồm: Sức kháng cắt của dầm thử nghiệm, nghiên cứu về hình dạng vết nứt, các mối quan hệ giữa biến dạng và tải trọng cũng như sức kháng cắt tới hạn (Vu). Gĩc nghiêng của vết nứt cũng là đối tượng xem xét trong thí nghiệm này.
3.6.1. Sức kháng cắt của dầm thử nghiệm
Theo kế hoạch thử nghiệm 6 dầm cĩ các thơng số đề cập trên, các thơng số được khảo sát gồm: Tải trọng phá hoại cắt (từ đĩ cĩ được lực cắt tới hạn), độ võng giữa nhịp, biến dạng trong bê tơng miền nén, biến dạng trong cốt dọc chủ trong phạm vi phá hoại cắt, biến dạng trong cốt đai trong phạm vi phá hoại tiết diện nghiêng.
Bảng 3. là số liệu tải trọng đo được khi dầm bị phá hoại và sức kháng cắt thực nghiệm, so sánh với sức kháng cắt tính theo mơ hình đề xuất ở chương 2. Kết quả cho thấy sức kháng cắt dầm thực nghiệm cao hơn so với tính tốn. Tuy nhiên sự sai số khơng quá lớn. Kết quả cho thấy cĩ sự tương đồng giữa lý thuyết và thực nghiệm. Mơ hình phá hoại dầm cũng nằm trong dự kiến. Các vết nứt nghiêng thường bắt đầu nứt từ giữa hoặc từ miền chịu kéo phát triển lên miền nén và sau đĩ dầm gãy. Sử dụng tiêu chuẩn ACI 544R88 để so sánh đối chứng thêm. Kết quả so sánh như bảng 3.6.
Bảng 3.6. So sánh kết quả thử nghiệm và mơ hình lý thuyết
Kí hiệu dầm Tải trọng tới hạn- Loadcell (KN) Sức kháng cắt theo thực nghiệmVutest (KN) Sức kháng cắt tính theo mơ hình đề xuất-Vu (KN) Vu Tính theo ACI544R88 Vutest/ Vu Vu/Vu (ACI) Dạng mặt cắt phá hủy B-0-300-6-300 210.32 105.16 115.61568 157.216 0.91 0.75 Phá hủy do cắt-trượt B-0.63-300-6-300- SN 496.65 221.32 200.03828 191.594 1.1 1.04 Phá hủy do cắt-trượt B-1-300-6-300-SN 585.74 261.02 247.19093 223.517 1.06 1.1 Phá hủy do cắt-trượt B -0.63-300-6-300-SD 639.398 284.94 220.46455 230.884 1.29 0.95 Phá hủy do cắt-trượt A-0-300-6-300 436.968 194.73 124.03 179.893 1.5 0.7 Phá hủy do cắt-trượt A -0.63-300-6-300-SN 639.5 284.98 215.6 256.051 1.3 0.84 Phá hủy do cắt-trượt
Qua kết quả thử nghiệm dầm cho thấy, lực cắt của dầm thử nghiệm tăng rất lơn khi hàm lượng sợi tăng. Với hàm lượng sợi 0.63% sợi ngắn, sức kháng cắt tăng thêm 110% so với dầm khơng sử dụng cốt sợi thép. Khi hàm hàm lượng sợi thép là 1% sức kháng cắt tăng thêm 148.2%. Như vậy sức kháng tăng rất lớn, cao hơn so với lý thuyết.
3.6.2. Phân tích hình thức phá hủy dầm thử nghiệm
Mơ hình phá hủy dầm B-0-300-6-300
Với dầm bê tơng cường độ cao, khơng sợi thép, kết quả về lực cắt như trong Bảng 3.. Mơ hình dầm phá hoại do cắt uốn. Vết nứt chính cĩ độ mở rộng lớn. Gĩc nghiêng vết nứt nhỏ hơn 45o, theo lý thuyết là 34o. Dạng vết nứt phá hủy như Hình
3.9 Mơ hình vết nứt khi uốn dầm Dầm B-0-300-6-300 các vết nứt nhỏ khơng nhiều và khơng rõ ràng. Cĩ hiện tượng cốt dọc chủ bị trượt do mất dính bám trong khi phá hoại. Dầm sẽ phá hủy tại mặt cắt nghiêng bắt đầu từ miền chịu kéo.
Hình 3.9 Mơ hình vết nứt khi uốn dầm Dầm B-0-300-6-300
• Mơ hình phá hủy dầm B-0.63-300-6-300-SN
Với dầm cao h=400mm, sử dụng loại sợi ngắn 3D 65/35 BG với hàm lượng 0.63% theo thể tích. Vết nứt dầm cĩ dạng như Hình 3.10. Dạng vết nứt cơ bản xuất hiện từ giữa chiều cao dầm và lan sang miền chịu kéo và phát triển đến điểm đặt tải. Vết nứt chính cĩ bề rơng nhỏ hơn do sự tham gia của cốt sợi thép. Nhiều vết nứt nhỏ xuất hiện và phân bố trong khoảng từ điểm đạt tải đến gối. Điều này cho thấy sợi thép giúp lan truyền vết nứt nhỏ thay vì xuất hiện vết nứt lớn. Khơng thấy hiện tượng nứt tách do cốt dọc chủ bị trượt, điều này cho thấy dính bám giữa cốt dọc và BTCST rất tốt. Gĩc nghiêng của vết nứt nhỏ hơn 45o.
Hình 3.10 Mơ hình vết nứt khi uốn dầm Dầm B-0.63-300-6-300-SN
• Mơ hình phá hủy dầm B-1-300-6-300-SN
Khi hàm lượng sợi tăng, dầm làm việc dẻo hơn, nhiều vết nứt nhỏ xuất hiện thay vì vết nứt lớn. Vết nứt chính xuất hiện từ giữa dầm và lan sang gối trên và gối dưới như Hình 3.11
Hình 3.11. Mơ hình vết nứt khi uốn dầm Dầm B-1-300-6-300-SN
• Mơ hình phá hủy dầm B - 0.63-300-6-300-SD
Kết quả uốn dâm cĩ hàm lương sợi 0.63% sử dụng sợi dài cho thấy, vết nứt chính xuất hiện từ giữa dầm và lan sang gối trên và gối dưới, nhiều vết nứt nhỏ xuất hiện và lan rộng trước khi dầm bị phá hoại. Nhiều vết nứt nhỏ xuất hiện ở miền kéo. Dạng phá hoại là do cắt uốn. Mơ hình phá hủy và hình ảnh vết nứt như Hình 3.12
Hình 3.12. Mơ hình vết nứt khi uốn dầm Dầm B-0.63-300-6-300-SD
• Mơ hình phá hủy dầm A-0-300-6-300
Với chiều cao dầm H=450 mm, dầm khơng cĩ cốt sợi thép, mơ hình phá hủy tương đối giống dầm B-0-300-6-300. Chỉ cĩ một vết nứt chính xuất hiện và dầm bị phá hoại trên vết nứt đĩ. Vết nứt xuất hiện ở miền chịu kéo. Dính bám giữa cốt dọc
chủ và bê tơng khơng lớn. Cĩ sự trượt cốt dọc chủ khi dầm phá hoại. Gĩc nứt nhỏ hơn dầm cĩ sợi thép.
Hình 3.13 Mơ hình vết nứt khi uốn dầm Dầm A-0-300-6-300
• Mơ hình phá hủy dầm A-0.63-300-6-300-SN
Với loại dầm cao H=450mm, sử dụng sợi ngắn với hàm lượng 0.63% theo thể tích, các vết nứt nhỏ xuất hiện nhiều hơn so với dầm khơng cĩ sợi thép ở trên. Do cĩ sự tham gia chịu kéo sau khi xuất hiện vết nứt đầu tiên của cốt sợi thép nên vết nứt nhỏ và lan truyền thay vì mở rộng. Hình dạng vết nứt như Hình 3.14
Hình 3.14. Mơ hình vết nứt khi uốn dầm Dầm B-0.63-300-6-300-SN
3.6.3. Phân tích về mối quan hệ tải trọng và độ võng giữa nhịp
Độ võng giữa nhịp được đo bằng đầu đo LVDT tại vị trí mặt trước dầm. Đồ thị của 4 dầm cĩ chiều ca H=400mm được vẽ trên Hình 3.15
Hình 3.15. Đồ thị quan hệ giữa tải trọng và độ võng giữa nhịp dầm H400mm
Đồ thị cho thấy, quan hệ giữa tải trong và độ võng trong dầm BTCĐC và dầm BTCĐC CST là tuyến tính. Hàm lượng sợi căng cao thì biếng dạng càng nhỏ.
3.6.4. Phân tích kết quả đo biến dạng bê tơng miền nén
Như mơ hình thí nghiệm trình bày trên, bố trí một điểm đo phía trên đỉnh dầm, vị trí giữa nhịp để đo biến dạng trong bê tơng. Theo giả thuyết bê tơng bị biến dạng tới hạn của bê tơng miền nén là 0.003-0.0035. Tuy nhiên các kết quả đo biến dạng lớn nhất của bê tơng miền nén trong dầm BTCĐC CST khi phá hoại đều đạt giá trị lớn hơn một chút. Kết quả như vậy là phù hợp, bởi bê tơng CST dẻo hơn bê tơng thường. Đồ thị quan hệ giữa giữa tải trọng tác dụng và biến dạng trong bê tơng của 4 dầm H=400mm và hai dầm H=450mm như Hình 3.16
Tả i trọ ng (N
Biến dạng dọc của bê tơng miền nén (μƐ)
Hình 3.16. Đồ thị về tải trong và biến dạng trong bê tơng miền nén dầm H400mm
Nhận xét, các đồ thị tương đối tuyến tính, bê tơng làm việc trong giai đoạn đàn hồi. Sử dụng cốt sợi thép với hàm lượng càng cao thì tính dẻo khi chịu nén của BTCST càng lớn lớn và biến dạng dẻo trong bê tơng miền nén khi phá hoại lớn hơn.
3.6.5. Kết quả đo biến dạng trong cốt dọc chủ
Đo biến dạng trong cốt dọc chủ ở hai vị trí D1 và D2 hàng dưới như hình Hình 3.2. Biến dạng trong cốt dọc chủ cĩ liên quan đến gĩc nghiêng của ứng suất kéo chính và từ đĩ cĩ ảnh hưởng đến khả năng chịu cắt của dầm BTCĐC CST. Mối tương quan giữa Sức kháng cắt và biến dạng trong cốt dọc chủ đo được ở vị trí D1 như và đo vị trí D2 như Hình 3.17 và Hình 3.18. Đồ thị cho thấy, dầm B0-300-6- 300 do khơng sử dụng cốt sợi thép, cốt dọc chủ nhanh chĩng chảy dẻo khi tải trọng cịn rất nhỏ. Các dầm cịn lại khi sử dụng cốt sợi thép thì hàm lượng cốt sợi thép tăng, cốt dọc chủ bị chảy dẻo chậm hơn, khi tải trọng lớn hơn rất nhiều lần. Khả năng chịu tải trong trong
Tả i tr ọn g (K
cốt thép dọc tăng lên khi phối hợp với cốt sợi do cốt sợi thép cĩ tham gia chịu kéo và hạn chế bề rộng vết nứt.
Biến dạng trong cốt dọc chủ vị trí D1 (μƐ)
Hình 3.17. Đồ thị quan hệ lực cắt và biến dạng trong cốt dọc chủ vị trí D1(dầm H400mm)
Hình 3.18. Đồ thị lực cắt và biến dạng trong cốt dọc chủ vị trí D2 (dầm H400mm) 2 2 1 1 L ực cắ t Vu (N Lự c cắt Vu (N )
3.6.6. Kết quả đo biến dạng trong cốt đai
Trong nghiên cứu thực nghiệm về biếng dạng của cốt đai của dầm BTCĐC CST, hai vị trí đo biến dạng T1 và T2 nằm trong phạm vi phá hoại do cắt được bố trí sen xơ để đo. Do ảnh hưởng của cốt sợi thép nên cốt đai sẽ cĩ ứng suất giảm đi. Cốt đai bị chảy dẻo chậm hơn tương ứng với tải trọng lớn hơn khi dầm cĩ cốt sợi thép. Đồ thị mối liên hệ giữa lực cắt tới hạn và biến dạng trong cốt đai vị trí T1 dầm cĩ chiều cao H400 như Hình 3.19 và vị trí T2 như Hình 3.20. Đồ thị đo biến dạng cốt đai cũng cho thấy cốt đai chảy dẻo chậm hơn trong các dầm cĩ cốt sợi thép. Cốt đai dầm khơng sợi (B0-300-6-300) chảy dẻo khi tải trọng rất nhỏ. Ngược lại cốt đai trong dầm cĩ hàm lượng cốt sợi lớn như dầm B0.63-300-6-300-SD và B1-300-6- 300-SN chỉ chảy dẻo khi lực đạt giá trị lớn hơn nhiều lần so với dầm khơng cĩ cốt sợi thép.
Biến dạng trong cốt thép đai vị trí T1 (με)
Hình 3.19. Đồ thị quan hệ lực cắt và biến dạng trong cốt đai vị trí T1 (με) L ực cắ t Vu (N
Hình 3.20. Đồ thị quan hệ lực cắt và biến dạng trong cốt đai vị trí T2 (μƐ)
Kết luận chương 3
Sau khi xây dựng mơ hình tính tốn sức kháng cắt cho dầm BTCST, mơ hình được kiểm chứng bằng cách thử nghiệm trên dầm cĩ chiều dài 2,4m, cao h=45cm và 40cm.
- Khảo sát các đại lượng chính cho thấy hàm lượng sợi ảnh hưởng rất lớn đến sức kháng cắt. Với hàm lượng sợi chỉ 1% theo thể tích sức kháng cắt tăng 120%
- Cùng hàm lượng sợi, hình dạng sợi nếu sợi cĩ kích thước lớn hơn, tính theo mơ hình đề xuất cho thấy sức kháng cắt lớn hơn.
- Gĩc nghiêng của ứng suất kéo chính của các dầm BTCST thường nhỏ hơn 45Kết quả đo lực cắt tới hạn của dầm thử nghiệm cho thấy mơ hình luận án đã dự báo tương đối chính xác sức khác cắt dầm BTCĐC CST. Kết quả uốn các dầm BTCĐC CST cho kết quả tương đồng với kết quả tính tốn theo mơ hình. NCS cĩ sử dụng cơng thức trong tiêu chuẩn ACI 544-4R 88 để so sánh, kết quả cũng rất khớp nhau.
L ực cắ t Vu (N
- Các vết nứt khi phá hoại cũng cho thấy, các vết nứt cĩ gĩc nghiêng đều nhỏ hơn 45o
o phù hợp với dự báo của cơng thức đề xuất.
- Dạng phá hoại các dầm BTCĐC CST theo cắt và cắt uốn. Các vết nứt nghiêng của dầm BTCĐC CST xuất hiện nhiều hơn, vết nứt nhỏ hơn và khoảng cách nhỏ hơn cho sợi thép làm tăng tính dẻo cho dầm BTCĐC CST khi chịu cắt.
Chương 4.
NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG TÍNH TỐN VỀ CẮT CHO DẦM
CẦU ĐƯỜNG BỘ SỬ DỤNG BÊ TƠNG CƯỜNG ĐỘ CAO CỐT SỢI THÉP Đặt vấn đề
Bê tơng cốt sợi thép là loại vật liệu mới đã và đang được ứng dụng rộng rãi. Trong tương lai, việc sử dụng loại vật liệu này cho kết cấu dầm cầu ở Việt Nam là rất khả quan. Do tải trong cơng trình giao thơng như cầu, cống rất lớn, cốt đai trong các dầm cầu thường bố trí rất dày. Cách bố trí cốt thép dày thường gây khĩ khăn cho việc lắp dựng cốt thép và đổ bê tơng. Cốt sợi thép cĩ thể thay thế hồn tồn hoặc một phần cốt thép đai trong dầm cầu để tham gia chịu cắt. Nhiều nghiên cứu cho rằng nên thay thế một phần cốt đai bằng cốt sợi thép để giãn cách cốt đai truyền thống. Các cốt đai truyền thống vẫn cĩ vai trị quan trọng như định vị cốt dọc, tạo khung thép. Tăng cường độ cứng chống xoắn...
Trên thế giới, nhiều tiêu chuẩn đã đưa các phương pháp tính tốn về cắt cho dầm BT CST như: RILEM TC162 TDF [104], ACI 544-4R-18 [36], Fib Model code 2010 [72], AASHTO LRFD 2017 [98]...Ở Việt Nam, tiêu chuẩn thiết kế cầu đường bộ TCVN 11823-2017 đã sử dụng mơ hình tính tốn về cắt dựa theo lý thuyết trường nén sửa đổi đơn giản cho dầm BTCT nhưng chưa cĩ phần tính tốn cho dầm BTCST. Đề xuất một phương pháp thiết kế cắt cho dầm cầu BT CST cũng như BT CĐC CST là rất cần thiết khi mà cơng trình ngày càng địi hỏi chất lượng và tuổi thọ cần sử dụng vật liệu tiên tiến như BT CĐC CST. Do đĩ, NCS đề xuất phương pháp thiết kế cắt cho dầm BTCĐC CST cĩ thể đưa vào TCVN 11823-2017. Phương pháp giúp các kỹ sư sử dụng tính tốn lượng cốt sợi thép, cốt thép đai chịu cắt cho dầm cầu đường bộ một cách đơn giản.
Giải pháp thiết kế cắt cho dầm cầu dường bộ bằng BTCST
Trên thế giới, hiện nay đang tồn tại nhiều quan điểm thiết kế về cắt cho dầm bê tơng cốt sợi thép. Theo một số tiêu chuẩn hiện hành, hiện đang cĩ một số phương pháp thiết kế cắt: Theo như tiêu chuẩn RILEM TC162 TDF [104] khi tính tốn về cắt, sử dụng cường độ chịu kéo uốn dư (FRi). Đây là một tham số quan trọng đặc trưng cho ứng xử của bê tơng cốt sợi thép sau nứt. Được xác định bằng thí nghiệm xác định
độ mở rơng vết nứt và biến dạng (CMOD) hoặc thí nghiệm kiểm sốt độ võng khi uốn mẫu dầm (δRi). Được tính tốn theo phương trình 4.1.
(4.1) Biểu đồ liên hệ giữa lực và độ mở rơng vết nứt như Hình 4.1
Hình 4.1. Đồ thị quan hệ tải trọng và độ mở rộng vết nứt
Khi tính tốn chống cắt, phần tính tốn sự đĩng gĩp của cốt sợi sử dụng cường đơ chịu kéo uốn dư tương ứng với độ mở rộng vết nứt CMOD4=3.5mm.
Cùng quan điểm giống như trên, tiêu chuẩn fib Model Code for Concrete Structures 2010 đã coi bê tơng cốt sợi thép là vật liệu compsite tạo ra bởi bê tơng và