Mẫu BMC đề xuất Khoảng cỏch dầm Chiều dày Cường độ bờ tụng chịu nộn Đường kớnh - bước cốt thộp (mm) (mm) (MPa) (mm) Mẫu 1 1250 175 35 12 - 150 Mẫu 2 1500 185 35 14 - 150 Mẫu 3 1750 195 40 14 - 150 Mẫu 4 2000 205 40 14 - 150 Mẫu 5 2250 205 45 16 - 150 Mẫu 6 2500 210 45 16 - 150 Mẫu 7 2750 215 50 18 - 150 Mẫu 8 3000 220 50 18 - 150
Mẫu 1 Mẫu 2
Mẫu 3 Mẫu 4
Mẫu 5 Mẫu 6
Mẫu 7 Mẫu 8
Hỡnh 4. 39: Kết quả tớnh toỏn phõn bố nứt của cỏc mẫu đề xuất dưới tỏc dụng của bỏnh xe trục 25 tấn.
4.7. Kết luận Chương 4
Kết quả mụ phỏng số phự hợp với kết quả tớnh toỏn theo cụng thức giải tớch và kết quả thớ nghiệm. Mụ hỡnh mụ phỏng số được xõy dựng cú độ chớnh xỏc cao. Do đú, dựa trờn mụ hỡnh mụ phỏng số để phõn tớch cỏc trường hợp làm việc của bản mặt cầu BTCT trong thực tế cũng như khảo sỏt cỏc tham số cho kết quả tin cậy.
Ứng xử cơ học của kết cấu nhịp dầm BTCT dưới tỏc dụng tĩnh của tải trọng xe:
Tải trọng trục gõy nứt cho bản mặt cầu lớn hơn nhiều tải trọng gõy nứt đối với sườn dầm (19,5 tấn > 6,5 tấn). Cỏc vết nứt đầu tiờn ở đỏy bản ngay dưới vị trớ đặt tải bỏnh xe ở giữa cỏc dầm theo phương ngang cầu và ở giữa nhịp theo phương dọc. Ở cấp tải trọng trục 25 tấn tương ứng với tải trọng trục xe lớn nhất thống kờ được, lỳc này, vựng nứt ở bản mặt cầu mở rộng, cú nhiều vị trớ dưới cỏc vựng đặt tải bỏnh xe đĩ nứt và lan truyền. Ở cấp tải trọng trục 35 tấn đĩ xuất hiện vết nứt ở phần cỏnh hẫng của bản mặt cầu nơi đặt bỏnh xe. Ở cấp tải trọng 50 tấn, dầm đĩ bị nứt trờn suốt chiều dài, cỏc vết nứt đĩ lan truyền tới bản mặt cầu. Đối với bản mặt cầu, vựng nứt mở rộng ở dưới vị trớ trực tiếp đặt tải bỏnh xe và ngay cả đối với phần cỏnh hẫng. Cỏc đoạn dầm ngang dưới vị trớ đặt tải bỏnh xe đĩ bị nứt nghiờm trọng, vết nứt đĩ phỏt triển từ đỏy dầm lờn tới bản mặt cầu. Tuy nhiờn, trong cỏc cụng trỡnh cầu thực tế nếu sườn dầm/dầm đỡ BTCT được thay thế bằng cấu kiện BTCT DƯL thỡ dầm khụng bị nứt, vấn đề cũn lại là nứt BMC.
Độ mở rộng vết nứt của BMC tăng phi tuyến với cấp tải trọng trục. Ở cấp tải trọng trục 25 tấn, độ mở rộng vết nứt là 0,034mm nhỏ hơn nhiều so với giới hạn cho phộp.
Ứng với cấp tải trọng trục 24 tấn, độ vừng lớn nhất là 11,13mm lớn hơn độ vừng cho phộp. Với tải trọng trục 25 tấn ghi nhận được ở trạm cõn ứng với kết cấu nhịp được khảo sỏt thỡ độ vừng KCN đĩ vượt quỏ giới hạn cho phộp.
Hệ số phõn bố ngang của cỏc dầm phụ thuộc vào cỏc cấp tải trọng. Khi dầm xuất hiện cỏc vết nứt và lan truyền nứt thỡ cú sự phõn phối lại hoạt tải giữa cỏc dầm. Khi tải trọng tỏc dụng lớn ứng với cỏc vết lớn đĩ phỏt triển ở cỏc dầm thỡ phõn phối hoạt tải giữa cỏc dầm ớt cú sự thay đổi.
Ứng suất trong cốt thộp chịu lực của sườn dầm lớn hơn nhiều so với bản mặt cầu. Ứng với cỏc cấp tải trọng trục xe thiết kế 14,5 tấn, tải trọng gõy nứt bản 19,5
tấn và tải trọng xe tải nặng 25 tấn ứng suất trong cốt thộp của kết cấu nhịp vẫn nằm trong giới hạn cho phộp. Ở cấp tải trọng trục 50 tấn, cốt thộp dọc ở sườn dầm đĩ bị chảy dẻo. Đối với bản mặt cầu, ứng suất cốt thộp lớn nhất nằm trong cốt thộp ngang dưới vị trớ đặt tải bỏnh xe.
Khi bờ tụng bị nứt, ứng suất bờ tụng bị giảm xuống ứng với giai đoạn mềm húa sau nứt của biểu đồ quan hệ ứng suất - biến dạng khi chịu kộo. Cỏc vựng chưa bị nứt cú sự điều chỉnh ứng suất theo xu hướng tăng lờn. Theo kết quả phõn tớch, phương ngang bất lợi về ứng suất kộo, phương dọc bất lợi về ứng suất nộn. Vỡ vậy, lỳc đầu bờ tụng đỏy bản bị nứt do ứng suất kộo theo phương ngang sau đú ứng suất phỏp theo phương ngang giảm, ứng suất phỏp theo theo phương dọc tăng lờn và làm nứt bờ tụng. Khi cỏc vết nứt hỡnh thành cú lại phõn bố lại ứng suất phỏp.
Xỏc định sơ dải bản tương đương khi bản mặt cầu BTCT dạng bản trờn dầm chịu tỏc dụng xe tải nặng:
Ứng suất phỏp tại đỏy bản do mụ men dương của sơ đồ 3D kết cấu nhịp nằm giữa sơ đồ dải bản với với biờn ngàm. Cỏc sơ đồ dải bản với biờn khớp cú sai số lớn so với sơ đồ 3D kết cấu nhịp. Sơ đồ dải bản với biờn ngàm, bề rộng tớnh theo tiờu chuẩn thiết kế cầu [5], giữ nguyờn chiều dày bản và cấu tạo cốt thộp cho kết quả gần nhất với sai số là 2,98% trong giai đoạn đồn hồi và sai số từ 3,41% đến 9,69% tựy theo cấp tải trọng trong giai đoạn BMC bị nứt. Mặt khỏc, đõy là sơ đồ tớnh thiờn về an tồn vỡ ứng suất tớnh toỏn lớn hơn so với sơ đồ 3D kết cấu nhịp. Sơ đồ này ỏp dụng trong trường hợp chỉ cú 1 bỏnh xe nặng đặt chớnh giữa dải bản. Cụng thức tớnh khẩu độ bản đề xuất:
Stt = S - tw/2 trong đú,
S - khoảng cỏch tim cỏc dầm dọc/sườn dầm, tw - chiều dày sườn dầm.
Ứng xử cơ học của bản mặt cầu BTCT của kết cấu nhịp dầm I BTCT DƯL chịu tỏc dụng tĩnh của tải trọng xe:
Cỏc trường hợp kết cấu BMC BTCT của kết cấu nhịp dầm I BTCT DƯL cú chiều dày thay đổi từ 175mm đến 200mm ứng với cỏc khoảng cỏch dầm từ 1500mm đến 2400mm. Kết quả tớnh toỏn cho thấy độ vừng, ứng suất trong cốt
thộp, độ mở rộng vết nứt dưới tỏc dụng của xe tải nặng trục 25 tấn vẫn nằm trong giới hạn cho phộp.
Cỏc vết nứt đầu tiờn là vết nứt dọc xuất hiện ở đỏy bản ngay dưới vị trớ đặt tải trọng bỏnh xe. Khi tăng tải, cỏc vết nứt lan truyền, vựng phõn bố nứt mở rộng, xuất hiện thờm cỏc vết nứt xiờn và vết nứt ngang. Ở cấp tải trọng trục 25 tấn, vựng phõn bố nứt chủ yếu ở dưới vị trớ đặt tải. Ở cấp tải trọng trục 50 tấn, cỏc vết nứt dọc đĩ kộo dài trờn tồn bộ bề rộng dải bản.
Trường hợp bản mỏng ứng với khoảng cỏch dầm nhỏ cú tải trọng gõy nứt nhỏ hơn so với bản dày ứng với khoảng cỏch dầm lớn. Bản dày 175mm nứt ở cấp tải trọng trục 14,5 tấn trong khi bản dày 200mm nứt ở cấp tải trọng trục 15,5 tấn. Khi tải trọng truc >21,5 tấn, độ mở rộng vết nứt ở bản dày 200mm lớn hơn ở cỏc bản dày 175mm và 180mm.
Ứng suất trong bờ tụng giảm xuống ở vựng nứt trong khi ứng suất trong cốt thộp tăng lờn. Lỳc đầu, cỏc đường nứt theo phương dọc cầu, ứng suất lớn nhất trong cốt thộp ngang. Khi tải trọng trục đủ lớn, 30 tấn đối với bản dày 175mm, 35 tấn đối với bản dày 180mm và 25 tấn đối với bản dày 200mm, cỏc vết nứt ngang lớn làm cho ứng suất trong cốt dọc tăng lờn đột ngột tại vị trớ vết nứt. Kết quả là ứng suất trong cốt thộp dọc lớn hơn trong cốt thộp ngang.
Ảnh hưởng cỏc thụng số cấu tạo đến ứng xử cơ học của bản mặt cầu BTCT dạng bản trờn dầm chịu tỏc dụng tĩnh của tải trọng xe:
Về vật liệu chế tạo BMC: Khi cường độ bờ tụng tăng lờn, vựng phõn bố nứt ở đỏy bản và biờn ngàm thu hẹp dần. Ứng với cường độ chịu nộn của bờ tụng 50 MPa trở lờn, đỏy bản khụng bị nứt. Độ vừng, ứng suất trong cốt thộp và độ mở rộng vết nứt đều nhỏ hơn nhiều so với giới hạn cho phộp ngay cả khi cường độ bằng 20 MPa, giảm nhanh khi cường độ bờ tụng tăng từ 20 MPa đến 45 MPa, sau đú giảm chậm lại. Với cỏc cấp cường độ từ 55 MPa đến 70 MPa việc tăng thờm cường độ bờ tụng khụng đem lại thờm nhiều hiệu quả chống nứt.
Về chiều dày BMC: Vựng phõn bố nứt, cỏc vết nứt lớn, ứng suất trong cốt thộp, và độ mở rộng vết nứt, độ vừng giảm nhanh và cú quan hệ xấp xỉ tuyến tớnh khi tăng chiều dày bản. Việc tăng chiều dày đem lại hiệu quả chống nứt cao cho BMC.
Về bố trớ cốt thộp chịu lực trong BMC: Việc thay đổi đường kớnh cốt thộp trong khi giữ nguyờn hàm lượng cốt thộp khụng đem lại hiệu quả chống nứt đồng bộ cho BMC. Sử dụng cốt thộp cú đường kớnh nhỏ cho độ mở rộng vết nứt nhỏ nhưng vựng phõn bố nứt rộng. Đường kớnh cốt thộp trung gian từ 12 đến 16mm kiềm chế được vựng phõn bố nứt và cho độ vừng nhỏ.
Từ cỏc kết quả khảo sỏt tham số cấu tạo BMC BTCT dạng bản trờn dầm núi chung và kết quả phõn tớch cỏc giải phỏp BMC kết cấu nhịp dầm I điển hỡnh đang được sử dụng trong thực tế, tỏc giả đĩ đề xuất cỏc giải phỏp cấu tạo BMC BTCT tương ứng với khoảng cỏch giữa cỏc dầm từ 1250 đến 3000mm. Dưới tỏc dụng của xe tải nặng trục 25 tấn, BMC BTCT khụng xuất hiện vết nứt dưới vị trớ đặt tải.
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIấN CỨU TIẾP THEO 1. Kết luận
1.1. Khối lượng thực hiện được của luận ỏn
Nghiờn cứu cỏc mụ hỡnh ứng xử của bờ tụng và cốt thộp. Từ đú xỏc định được mụ hỡnh phự hợp cho việc phõn tớch tớnh toỏn phi tuyến nứt bản mặt cầu dưới tỏc dụng của tải trọng.
Nghiờn cứu ứng xử của bờ tụng khi bị phỏ hủy. Xỏc định mụ hỡnh nứt phi tuyến là cơ sở tiến hành cỏc thớ nghiệm xỏc định cỏc chỉ tiờu cơ lý cần thiết cho phõn tớch phi tuyến nứt bản mặt cầu BTCT.
Xõy dựng được bộ dữ liệu cỏc đặc trưng nứt của bờ tụng cú cường độ nộn trung bỡnh 58 MPa.
Thớ nghiệm xỏc định ứng xử nứt của bản mặt cầu bờ tụng cốt thộp: − Thớ nghiệm kết cấu nhịp dầm T;
− Thớ nghiệm kết cấu nhịp dầm T sau khi sửa chữa bằng gia cố tấm FRP; − Thớ nghiệm bản bờ tụng cốt thộp cú cấu tạo tương tự như bản mặt cầu kờ trờn
2 cạnh.
Xõy dựng được mụ hỡnh tớnh toỏn và kiểm chứng với kết quả tớnh theo lý thuyết và thớ nghiệm ứng xử nứt bản mặt cầu.
Sử dụng mụ phỏng số để:
− Phõn tớch bài toỏn nứt cho kết cấu nhịp dầm T BTCT chịu tỏc dụng của tải trọng xe quỏ tải;
− Xỏc định mụ hỡnh dải bản tương đương theo lý thuyết tớnh tấm;
− Phõn tớch nứt đỏnh giỏ cấu tạo giải phỏp bản mặt cầu BMC của kết cấu nhịp dầm I BTCT DƯL theo mụ hỡnh dải bản tương đương;
− Khảo sỏt cỏc tham số ảnh hưởng đến phõn bố nứt BMC và đề xuất giải phỏp cấu tạo chống nứt.
1.2. Đúng gúp mới của luận ỏn
Cung cấp một số dữ liệu về cỏc đặc tớnh cơ học như cường độ chịu nộn, cường độ chịu kộo, năng lượng nứt, độ bền nứt giới hạn của bờ tụng, … được sử dụng trong cụng trỡnh cầu, cần thiết cho cỏc tớnh toỏn mụ phỏng ứng xử kết cấu cầu bằng cỏc phần mềm tớnh toỏn.
Xõy dựng được một số mụ hỡnh thớ nghiệm phự hợp để phõn tớch ứng xử cơ học của bản mặt cầu BTCT tương tự BMC dạng bản trờn dầm thực tế dưới tỏc dụng tĩnh của tải trọng xe và tiến hành thớ nghiệm.
Cung cấp dữ liệu về quỏ trỡnh hỡnh thành và phỏt triển vết nứt, độ vừng, độ mở rộng vết nứt trong kết cấu BMC dưới tỏc dụng của tải trọng và hiệu quả của việc gia cường bản bờ tụng cốt thộp đĩ nứt bằng vật liệu FRP.
Xõy dựng được mụ hỡnh tớnh cú so sỏnh với thực nghiệm để phõn tớch ứng xử cơ học của kết cấu bản mặt cầu BTCT dạng bản trờn dầm dưới tỏc dụng của tải trọng tĩnh.
Đĩ phõn tớch, đỏnh giỏ ứng xử cơ học của KCN dầm T dưới tỏc dụng tĩnh của tải trọng xe. Đề xuất được mụ hỡnh dải bản tương đương để tớnh toỏn, thiết kế bản mặt cầu bờ tụng cốt thộp. Trờn cơ sở đú, phõn tớch, đỏnh giỏ ứng xử bản mặt cầu BTCT kết cấu nhịp dầm I BTCT DƯL, đề xuất cấu tạo bản mặt cầu BTCT dạng bản trờn dầm hợp lý dựa trờn kết quả phõn tớch tham số (cấp bờ tụng BMC, chiều dày BMC, bố trớ cốt thộp BMC) theo yờu cầu kiềm chế nứt do tỏc động của xe quỏ tải.
2. Hướng nghiờn cứu tiếp theo
Nghiờn cứu ứng xử cơ học của bản mặt cầu dưới tỏc dụng của tải trọng động. Nghiờn cứu ứng xử cơ học của bản mặt cầu đối với cỏc cụng trỡnh đĩ qua sử dụng xột tới sự thay đổi tớnh chất của vật liệu, suy giảm tiết diện chịu lực của cốt thộp, suy giảm dớnh bỏm giữa cốt thộp và bờ tụng.
Nghiờn cứu sự phỏt triển của cỏc vết nứt mỏi dưới tỏc dụng của tải trọng lặp cú xột đến tải trọng và lưu lượng ngẫu nhiờn.
Nghiờn cứu ứng xử cơ học của kết cấu bản mặt cầu sử dụng bờ tụng cường độ cao và siờu cao dưới tỏc dụng của tải trọng xe.
Nghiờn cứu kết hợp giữa phương phỏp phần tử hữu hạn và trớ thụng minh nhõn tạo trong phõn tớch ứng xử cơ học kết cấu bản mặt cầu núi riờng và kết cấu nhịp núi chung.
Nghiờn cứu ứng xử nứt bản mặt cầu bờ tụng cốt thộp dưới tỏc động qua lại giữa tải trọng và cỏc yếu tố ăn mũn, nhiệt độ.
DANH MỤC CÁC CễNG TRèNH ĐÃ CễNG BỐ CỦA TÁC GIẢ
1. Nguyễn Đức Hiếu, Phạm Văn Hựng, Trần Thế Truyền (2017), Mụ phỏng ứng xử
cơ học của bản mặt cầu bờ tụng cốt thộp chịu tỏc động của xe quỏ tải, Tuyển tập
cụng trỡnh khoa học Hội nghị Cơ học tồn quốc lần thứ X, trang 351-358.
2. Nguyễn Đức Hiếu (2018), Xỏc định nguyờn nhõn và giải phỏp khắc phục vết nứt
dọc đối với cầu bản rộng bằng bờ tụng cốt thộp dự ứng lực đổ tại chỗ, Tuyển tập
cụng trỡnh Hội nghị Khoa học tồn quốc Cơ học Vật rắn lần thứ XIV, trang 244- 251.
3. Nguyen Duc Hieu, Tran The Truyen, Bui Thanh Tung (2018), “Fracture analysis
of reinforced concrete bridge deck under overload vehicles”, Tạp chớ Giao thụng Vận tải, 2018 International Conference on Sustainability in Civil Engineering,
trang 345-350.
4. Nguyễn Đức Hiếu, Ngụ Chõu Phương (2018), Bước đầu đỏnh giỏ thực trạng nứt
kết cấu nhịp cầu bản do xe quỏ tải ở khu vực phớa Nam và đề xuất giải phỏp khắc phục, Tuyển tập bỏo cỏo khoa học Hội nghị Khoa học cụng nghệ lần thứ XXI
Trường Đại học Giao thụng vận tải Phõn hiệu tại Thành phố Hồ Chớ Minh, trang 178-188.
5. Nguyễn Đức Hiếu, Ngụ Chõu Phương, Trần Thế Truyền (2019), “Phõn tớch ứng
xử của bản mặt cầu dầm I bờ tụng cốt thộp dưới tỏc dụng của xe quỏ tải”, Tạp chớ Giao thụng Vận tải, Số 3/2019, trang 34-38.
6. Nguyen Duc Hieu, Tran The Truyen, Bui Thanh Tung, Doan Bao Quoc (2019),
Cracking analysis of reinforced concrete bridge deck subjected to overload vehicle, In: The 5th International Conference on Engineering Mechanics and
Automation, pp. 161-168.
7. Nguyễn Đức Hiếu, Trần Thế Truyền (2020), “Ảnh hưởng của tải trọng xe quỏ tải
đến phõn bố cỏc vựng nứt trờn kết cấu nhịp cầu bằng bờ tụng cốt thộp”, Tạp chớ Giao thụng Vận tải, Số 5/2020, trang 43-46.
8. Duc Hieu Nguyen, The Truyen Tran, Thanh Tung Bui, Minh Cuong Le, Ngoc Trinh Vu (2021), Analysis of crack characteristics of reinforced concrete bridge deck under the effect of static wheel load, In: CIGOS 2021, Emerging
Technologies and Applications for Green Infrastructure. Springer, Singapore, pp. 69-77.
TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt
1. Trịnh Minh Đức (2017), Đỏnh giỏ ảnh hưởng của xe tải trọng nặng trờn quốc lộ 1 (đoạn Km1926 – Km1929, tỉnh Long An) đến tuổi thọ kết cấu ỏo đường, Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật, Trường Đại học GTVT, Hà Nội.