Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu gia cường kết cấu bê tông cốt thép bằng tấm composite ứng dụng cho công trình thủy lợi

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:205

Thêm vào BST

Báo xấu

26
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật "Nghiên cứu gia cường kết cấu bê tông cốt thép bằng tấm composite ứng dụng cho công trình thủy lợi" trình bày các nội dung chính sau: Tổng quan về nghiên cứu gia cường kết cấu bê tông cốt thép bằng tấm composite; Cơ sở khoa học của việc gia cường kết cấu bê tông cốt thép bằng tấm composite; Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả gia cường kết cấu BTCT bằng tấm composite.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu gia cường kết cấu bê tông cốt thép bằng tấm composite ứng dụng cho công trình thủy lợi

i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả ghi trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả Nguyễn Chí Thanh
ii LỜI CẢM ƠN Với tất cả tình cảm của mình, tác giả xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tới GS.TS Lê Mạnh Hùng, GS.TS Phạm Ngọc Khánh đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo trong suốt quá trình nghiên cứu hoàn thành luận án. Tác giả xin trân trọng cảm ơn Cở sở đào tạo Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam, Viện Thủy Công đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tác giả học tập và hoàn thành luận án. Cuối cùng, xin cảm ơn gia đình, đồng nghiệp và bạn bè đã chia sẻ, động viên, tạo điều kiện cho tác giả hoàn thành luận án này. Hà nội, ngày tháng năm 2017 Nguyễn Chí Thanh
iii MỤC LỤC MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1 1. Tính cấp thiết của đề tài.......................................................................................1 2. Mục đích nghiên cứu ...........................................................................................2 3. Phương pháp nghiên cứu .....................................................................................2 4. Cách tiếp cận .......................................................................................................3 5. Phạm vi và đối tượng nghiên cứu ........................................................................4 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án..........................................................5 7. Những đóng góp mới của luận án .......................................................................5 8. Bố cục của luận án ...............................................................................................6 Chương 1: TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU GIA CƯỜNG KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP BẰNG TẤM COMPOSITE ....................................................................8 1.1 Hiện trạng hư hỏng kết cấu bê tông cốt thép công trình thủy lợi ở Việt Nam .8 1.2 Một số phương pháp gia cường kết cấu bê tông cốt thép ................................13 1.2.1 Tóm tắt về một số phương pháp gia cường kết cấu ..................................13 1.2.2 Phương pháp gia cường kết cấu bằng tấm composite ..............................14 1.2.3 Vật liệu composite dùng trong gia cường .................................................17 1.2.3.1 Đặc tính cấu tạo của tấm composite ..................................................17 1.2.3.2 Đặc tính vật lý của vật liệu composite ...............................................17 1.2.3.3 Đặc tính cơ học ..................................................................................19 1.2.3.4 Ứng xử theo thời gian của kết cấu sau gia cường ..............................19 1.2.4 Các dạng phá hoại chính của kết cấu sau gia cường bằng phương pháp dán lớp vật liệu composite .................................................................................20 1.3Tình hình nghiên cứu về gia cường kết cấu BTCT bằng tấmcomposite ..........22 1.3.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới ...........................................................22 1.3.2 Tình hình nghiên cứu ở trong nước ..........................................................25 1.3.3Những vấn đề còn tồn tại trong nghiên cứu gia cường KCBTCT bằng tấmcomposite .....................................................................................................26 1.4 Các vấn đề nghiên cứu ....................................................................................28
iv Kết luận chương 1 .................................................................................................32 Chương 2: CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA VIỆC GIA CƯỜNG KẾT CẤU BTCT BẰNG TẤM COMPOSITE ......................................................................................33 2.1 Ứng xử của kết cấu BTCT khi chịu tải trọng ..................................................33 2.1.1. Ứng xử của vật liệu bê tông .....................................................................34 2.1.2 Ứng xử của vật liệu thép ...........................................................................37 2.1.3 Liên kết giữa bê tông và cốt thép ..............................................................38 2.2 Tính toán kết cấu BTCT bằng phương pháp số ..............................................38 2.2.1 Cơ sở khoa học .........................................................................................38 2.2.2 Phương pháp phân tích PTHH ..................................................................41 2.2.2.1 Giới thiệu chung ....................................................................................41 2.2.2.2Mô hình hóa PTHH ................................................................................42 2.3 Ứng dụng phần mềm phân tích phi tuyến kết cấu BTCT................................45 2.3.1 Một số phần mềm ứng dụng điển hình .................................................45 2.2.2 Lựa chọn phần mềm mô phỏng.............................................................46 2.2.3 Mô hình PTHH với phần mềm ATENA ...............................................47 2.4 Kiểm định kết quả tính toán bằng phần mềm ATENA ...................................51 2.3.3 Kết cấu dầm chịu tải trọng phân bố ......................................................52 2.3.4 Kết cấu dầm kích thước lớn chịu tải trọng tập trung ............................55 2.5 Ứng xử của kết cấu BTCT gia cường bằng tấm composite ............................58 Kết luận chương 2 .................................................................................................58 Chương3: NGHIÊN CỨU CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN HIỆU QUẢ GIA CƯỜNG KẾT CẤU BTCT BẰNG TẤM COMPOSITE .........................................60 3.1Nghiên cứu ứng xử của kết cấu BTCT gia cường bằng tấm composite theo phương pháp thực nghiệm .....................................................................................60 3.1.1 Giới thiệu chung .......................................................................................60 3.1.2 Thí nghiệm xác định ứng xử của dầm chịu uốn .......................................61 3.1.2.1 Mục tiêu và các tham số trong thí nghiệm .........................................61 3.1.2.2 Mẫu thí nghiệm - Kích thước và vật liệu ...........................................62
v 3.1.2.3. Kết quả thí nghiệm và thảo luận .......................................................65 3.1.3. Thí nghiệm xác định ứng xử của tấm chịu uốn .......................................70 3.1.3.1. Mục tiêu của thí nghiệm và các tham số ...........................................70 3.1.3.2. Mẫu thí nghiệm - Kích thước và vật liệu .........................................71 3.1.3.3. Thực hiện thí nghiệm ........................................................................72 3.1.3.4. Kết quả thí nghiệm ............................................................................73 3.1.3.4. Nhận xét ............................................................................................77 3.1.4 Kết luận phần nghiên cứu thực nghiệm ....................................................77 3.2 Nghiên cứu ứng xử của kết cấu bê tông cốt thép gia cường bằng tấmcomposite theo phương pháp số ......................................................................78 3.2.1Kết cấu dầm ...........................................................................................78 3.2.2 Kết cấu bản ............................................................................................81 3.3 Xây dựng công thức tính toán sức kháng cắt của kết cấu bê tông cốt thép gia cường chịu uốn ......................................................................................................87 3.3.1 Sơ lược về sức kháng cắt ..........................................................................87 3.3.2 Đề xuất công thức tính toán mới về sức kháng cắt cấu kiện bê tông cốt thép.....................................................................................................................91 3.4 Nghiên cứu yếu tố ảnh hưởng đến khả năng chịu uốn của kết cấu được gia cường bằng tấm composite ....................................................................................94 3.4.1Giới thiệu chung ........................................................................................94 3.4.2 Các tham số ảnh hưởng tới sức chịu tải của hệ kết cấu gia cường ...........95 3.4.2.1Ảnh hưởng của mức độ gia cường ......................................................96 3.4.2.2Ảnh hưởng của cường độ bê tông .....................................................100 3.4.2.3Ảnh hưởng của hàm lượng của cốt thép chịu lực .............................102 3.4.2.4Ảnh hưởng của chiều dày lớp bê tông bảo vệ ...................................104 3.5Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng chịu chịu cắt của kết cấu được gia cường chịu uốn bằng tấm composite .............................................................106 Kết luận chương 3 ...............................................................................................109
vi Chương 4: ÁP DỤNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀO TÍNH TOÁN CHO CÔNG TRÌNH THỰC TẾ ......................................................................................111 4.1 Đặc điểm kết cấu và điều kiện làm việc của CTTL ......................................111 4.2 Quy trình tính toán gia cường KC BTCT bằng tấm composite cho CTTL...113 4.3 Công trình cống Liệt Sơn ..............................................................................116 4.3.1 Hiện trạng về công trình cống Liệt Sơn ..................................................116 4.3.2 Tính toán gia cường kết cấu cống ...........................................................118 4.3.2.1 Mô hình vật liệu ...............................................................................118 4.3.2.2 Mô hình tải trọng..............................................................................119 4.3.2.3 Mô hình hóa hình học kết cấu ..........................................................120 4.3.3 Kết quả tính toán .....................................................................................120 4.3.3.1 Kết cấu trước khi gia cường .............................................................120 4.3.3.2 Kết cấu sau khi gia cường ................................................................122 4.3.3.3 Khảo sát các tham số ........................................................................122 4.3.4 Đánh giá sức chịu tải của kết cấu sau khi gia cường ..............................123 4.4 Công trình cầu máng .....................................................................................126 4.4.1 Sơ lược về kết cấu cầu máng và trình tự thi công ..................................126 4.4.2 Tính toán kết cấu theo giai đoạn thi công ...............................................129 4.4.3 Tính toán gia cường cho dầm chính cầu máng .......................................134 Kết luận chương 4 ...............................................................................................137 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.................................................................................139 I. Kết luận ............................................................................................................139 II. Kiến nghị.........................................................................................................143 TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................145 PHỤ LỤC ................................................................................................................153 Phụ lục A: Kết quả thí nghiệm của nghiên cứu sinh ...........................................153 Phụ lục B: Tổng kết ngân hàng dữ liệu thí nghiệm từ các tài liệu tham khảo ....164 Phụ lục C: Kết quả tính toán gia cường kết cấu bằng tấm composite .................168
vii DANH MỤC CÁC ĐỊNH NGHĨA, KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT 1. Một số định nghĩa Sức kháng Là khả năng chịu lực lớn nhất của kết cấu hoặc thành phần kết cấu dưới tác dụng của tải trọng cơ học Sức kháng uốn Là khả năng chịu mô men uốn lớn nhất của kết cấu hoặc thành phần kết cấu Sức kháng cắt Là khả năng chịu cắt lớn nhất của kết cấu hoặc thành phần kết cấu Composite Là vật liệu chịu lực được tạo bởi một hỗn hợp các vật liệu chịu lực cơ bản. Theo đó, cũng có thể hiểu bê tông là một loại vật liệu composite khi xét kỹ lưỡng từng thành phần cấu tạo như đá, xi măng, cát, nước và các hạn mịn cũng như các loại vật liệu tạo phụ gia khác Tấm composite Trong luận án này, tấm composite được hiểu là loại vật liệu tổng hợp từ vật liệu phi kim cường độ cao như sợi các-bon, sợi thủy tinh, sợi aramid và keo dính cũng như vữa kết nối đặc biệt Sợi trực hướng Khi sử dụng tấm composite được tạo bởi lưới sợi vật liệu được đan vuông góc với nhau với mục đích tạo khả năng chịu lực theo hai phương thì được gọi là sợi trực hướng Gia cường Là việc sử dụng các giải pháp về mặt kết cấu nhằm duy trì hoặc nâng cao sức kháng của kết cấu theo một yêu cầu được đặt ra Mức độ gia Là mức độ yêu cầu của việc gia cường. Ví dụ, gia cường để làm cường tăng khả năng chịu lực của kết cấu thêm 50%, gia cường để đảm bảo bề rộng vết nứt nhỏ hơn 30%, gia cường để độ võng được giảm đi 70% dưới tác động của tải trọng,… Ứng xử của kết Là tập hợp các phản ứng của kết cấu dưới tác dụng của tải trọng cấu hoặc tác động. Nó thường được thể hiện thông qua sự phân bố ứng suất-biến dạng, chuyển vị, phản lực, vết nứt,.. theo các trạng thái chịu lực.
viii Phá hoại uốn Là phá hoại trong kết cấu bê tông cốt thép do tác động của mô men uốn là chủ đạo, ở đây có hai trường hợp phá hoại điển hình: phá hoại xảy ra khi cốt thép bị kéo chảy vượt quá giá trị biến dạng giới hạn (khoảng 25% hoặc 50% tùy theo loại cốt thép); hoặc bê tông vùng nén bị nén quá giá trị biến dạng nén giới hạn (khoảng -3,5%). Phá hoại cắt Đối với kết cấu bê tông, phá hoại cắt xảy ra sau khi các vết nứt xiên phát triển tới một trạng thái giới hạn. Các vết nứt xiên này hình thành do mô men uốn lớn tác động hơn mô men uốn gây nứt và lực cắt có giá trị lớn. Nói chung, phá hoại cắt thường gây ra do cả lực cắt và mô men uốn, nên cũng có thể gọi là phá hoại cắt uốn kết hợp Mô phỏng kết Là việc sử dụng các phương pháp phân tích tính toán kết cấu để tạo cấu dựng lại các trạng thái chịu lực của kết cấu theo các giai đoạn tác động của tải trọng hoặc thời gian. Trong luận án này, mô phỏng kết cấu được hiểu là việc sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để tính toán, phân tích các trạng thái ứng suất, biến dạng cũng như các vấn đề cơ học nhằm lý giải ứng xử của kết cấu một cách đầy đủ, rõ ràng và thuyết phục. Hàm lượng cốt Là hàm lượng cốt thép trong kết cấu bê tông thực sự tham gia vào thép có hiệu việc chịu lực được xem xét nào đó. Ví dụ, nó bao gồm cốt thép dọc đã có trong kết cấu và tấm composite được gia cường. Trạng thái giới Là trạng thái mà kết cấu có đại lượng nghiên cứu đạt tới giá trị giới hạn hạn được giả định trước. Trạng thái giới Là trạng thái mà sức kháng của kết cấu đạt tới giá trị lớn nhất hạn cường độ Trạng thái giới Là trạng thái mà biến dạng, bề rộng vết nứt,.. của kết cấu đạt tới hạn sử dụng giá trị qui định trước
ix 2. Chữ viết tắt ABAQUS Chương trình phân tích phần tử hữu hạn phi tuyến do công ty Simulink phát triển AFRP Aramid Fiber Reinforced Polymer ASTM American Society for Testing and Materials, hiệp hội Mỹ về thí nghiệm và vật liệu ATENA Chương trình phân tích phần tử hữu hạn phi tuyến do công ty Cervenka phát triển, được dùng trong luận án ATENA 2D Chương trình phân tích phần tử hữu hạn chuyên dụng cho phần tử phẳng do công ty Cervenka phát triển ATENA 3D Chương trình phân tích phần tử hữu hạn chuyên dụng cho phần tử không gian do công ty Cervenka phát triển BTCT Bê tông cốt thép CFRP Các bon Fiber Reinforced Polymer CTTL Công trình thủy lợi DIANA Chương trình phân tích phần tử hữu hạn phi tuyến do công ty DIANA phát triển FRP Fiber Reinforced Polymer GFRP Grass Fiber Reinforced Polymer PTHH Phần tử hữu hạn 3. Các ký hiệu ߙ௅ ǡ ߙ ் Hệ số dãn nở nhiệt của vật liệu theo phương dọc và phương ngang ߝ Biến dạng của bê tông hoặc cốt thép ߝ௙ௗ Biến dạng giới hạn thiết kế của cốt vật liệu gia cường ߝ௙௨ Biến dạng phá hoại của lớp vật liệu gia cường ߜఎ Hệ số biến thiên của sai số mô hình, là tỷ số giữa độ lệch tiêu chuẩn và giá trị trung bình ߜఎ ൌ ߪఎ Ȁߟ௠ ߮௧௡ Góc ma sát trong tự nhiên của đất
x ߶ Đường kính cốt thép ߛ Hệ số an toàn ߛ௜ Dung trọng riêng của lớp đất thứ i ߛ௧௡ Dung trọng riêng tự nhiên của đất ߛ௕௛ Dung trọng riêng của đất khi bão hòa ߛđ௡ Dung trọng đẩy nổi ߟ Sai số mô hình, được tính là tỷ số giữa kết quả sức kháng từ thí nghiệm và kết quả sức kháng tính toán. Ví dụ, đối với đánh giá sức kháng cắt thì ߟ ൌ ܸ௧௛í௡௚௛௜ê௠ Ȁܸ௧í௡௛௧௢á௡ ߟ௠ Sai số trung bình của mô hình ߩ௟ Hàm lượng cốt thép dọc của cấu kiện, là tỷ số diện tích cốt thép dọc và diện tích mặt cắt bê tông chịu lực, ߩ௟ ൌ ‫ܣ‬௦ Ȁ‫ܣ‬௖ ߩ௟ǡ௘௙௙ Hàm lượng cốt thép có hiệu theo phương dọc, được tính là tỷ số giữa diện tích cốt thép dọc và diện tích mặt cắt bê tông chịu lực ߪ Ứng suất của bê tông hoặc cốt thép ߪఎ Độ lệch chuẩn của sai số mô hình ߥ Hệ số nở ngang của bê tông a Khoảng cách tải trọng tập trung và gối dầm đơn giản aL Khoảng cách tải trọng tương đương trong tính toán sức kháng cắt của cấu kiện b Bề rộng mặt cắt bê tông cốt thép c Khoảng cách mép ngoài thớ chịu kéo của mặt cắt bê tông và trọng tâm cốt thép dọc vùng bê tông chịu kéo d Chiều cao tính toán chịu lực của mặt cắt bê tông cốt thép, được tính từ thớ chịu nén nhiều nhất đến vị trí cốt thép dọc chịu lực trong vùng bê tông chịu kéo, ݀ ൌ ݄ െ ܿ ݂௖ ′ Cường độ lăng trụ tiêu chuẩn của bê tông chịu nén ݂௖௞ Cường độ chịu nén lăng trụ của bê tông ứng với xác suất giá trị
xi giới hạn dưới là 5% ݂௖௠ Cường độ chịu nén lăng trụ trung bình của bê tông ݂௖௨ Cường độ chịu nén lập phương của bê tông ݂௖௧௠ Cường độ chịu kéo trung bình của bê tông h Chiều cao mặt cắt bê tông cốt thép ݊ Số lớp vật liệu gia cường ‫݌‬ Áp lực theo phương ngang (của nước, đất lên thành cống) q Áp lực theo phương đứng (của nước, đất lên trần hoặc đáy cống) ‫ݐ‬௙ Bề dày một lớp vật liệu gia cường ‫ݓ‬௠௔௫ Bề rộng vết nứt lớn nhất của kết cấu bê tông đang xét ‫ݓ‬ௗ Biến dạng nén giới hạn của bê tông ‫ܣ‬௦ Diện tích mặt cắt ngang cốt thép dọc chịu lực sử dụng trong tính toán mặt cắt chịu lực bê tông cốt thép ‫ܣ‬௖ Diện tích mặt cắt ngang bê tông, được tính là ‫ܣ‬௖ ൌ ܾ݀ ‫ܣ‬௚௖ Diện tích mặt cắt ngang của tấm composite trong tính toán mặt cắt chịu lực của kết cấu gia cường BDi Vị trí đo biến dạng thứ i BO1-BO4 Ký hiệu mẫu thí nghiệm bản bê tông cốt thép DO1-DO6 Ký hiệu mẫu thí nghiệm dầm bê tông cốt thép ‫ܧ‬௖ Mô đun biến dạng (cũng là mô đun đàn hồi) của bê tông ‫ܧ‬௖௠ Mô đun đàn hồi trung bình của bê tông ‫ܧ‬௦ Mô đun đàn hồi của cốt thép ‫ܧ‬௚௖ Mô đun đàn hồi của tấm composite theo phương chịu lực được xét (khi tính toán trong mặt cắt bê tông cốt thép được gia cường) ‫ܧ‬௙ Mô đun đàn hồi của vật liệu gia cường ‫ܩ‬ி Năng lượng phá hủy của bê tông ‫ܮ‬௖ Khoảng cách điểm cuối lớp gia cường tới điểm mô men uốn bằng không
xii ܶ௚ Nhiệt độ giới hạn của vật liệu kết dính ܸ௖ Sức kháng cắt của cấu kiện bê tông cốt thép ܸ௖ௗ Sức kháng cắt thiết kế của cấu kiện bê tông cốt thép, là sức kháng cắt tính toán sau khi đã xem xét các hệ số an toàn ܸ௖௠ Sức kháng cắt trung bình của cấu kiện bê tông cốt thép, ứng với hệ số an toàn bằng 1, được sử dụng khi tính toán so sánh với kết quả thực nghiệm ܼ௜ Chiều dày lớp đất thứ i
xiii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1: Ưu nhược điểm của các phương pháp gia cường kết cấu 13 Bảng 1.2: Khối lượng riêng của các loại vật liệu composite 18 Bảng 1.3: Hệ số dãn nở nhiệt của các loại vật liệu composite 18 Bảng 2.1: Tham số vật liệu bê tông theo ATENA 48 Bảng 2.2: Sự biến thiên ngẫu nhiên của các tham số vật liệu 49 Bảng 2.3: So sánh kết quả thí nghiệm và tính toán với dầm cao 4m 58 Bảng 3.1: Các thông số của mẫu thi nghiệm 62 Bảng 3.2: Kết quả thí nghiệm của mẫu bê tông 65 Bảng 3.3:Các thông số của chương trình thí nghiệm 71 Bảng 3.4: Kết quả thí nghiệm của mẫu bê tông 73 Bảng 3.5: So sánh kết quả tính toán theo các công thức khác nhau 93 Bảng 4.1: Ảnh hưởng của các tham số tới ứng xử của kết cấu 123 Bảng 4.2: So sánh giữa các kết quả đo và tính toán 125 Bảng A3.1: Kết quả thí nghiệm bê tông phục vụ cho việc tính toán 158 Bảng A6.1: Kết quả tính chuyển vị phụ thuộc tải trọng của bản bê tông cốt thép không gia cường 162 Bảng A6.2: Kết quả tính biến dạng thớ trên và thớ dưới giữa bản bê tông cốt thép sau khi gia cường 163 Bảng B1: Bảng dữ liệu các thí nghiệm cho dầm chịu cắt được gia cường 165
xiv DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1a: Bê tông bị ăn mòn (trái) và nứt vỡ bê tông dàn van (phải) cống Cổ Tiêu 11 Hình 1.1b: Bê tông thành cầu máng bị nứt vỡ khi chịu tải trọng - Cầu máng trên kênh tưới hồ Tà Keo - Lạng Sơn 11 Hình 1.1c: Bê tông cống bị tróc rỗ bề mặt (trái) và nhũ vôi, đùn rỉ thép (phải)- Cống lấy nước dưới đập thuộc hồ chứa nước Liệt Sơn, tỉnh Quảng Ngãi 12 Hình 1.2: Ứng suất-biến dạng của vật liệu cốt sợi carbon và sợi thủy tinh 15 Hình 1.3: Gia cường kết cấu dầm bê tông cốt thép về kháng uốn 16 Hình 1.4: Gia cường kết cấu dầm, cột BTCT tăng khả năng chịu cắt 16 Hình 1.5: Các dạng phá hoại điển hình của cấu kiện chịu uốn được gia cường bằng tấm sợi tổng hợp 21 Hình 2.1: Biểu đồ lực - chuyển vị của ứng xử một chiều 33 Hình 2.2: Ứng xử của mẫu bê tông chịu kéo theo Hillerborg (1983) 34 Hình 2.3: Thí nghiệm nén mẫu bê tông hình trụ 35 Hình 2.4: Bê tông bị kéo nén ba trục 36 Hình 2.5: Bê tông chịu kéo nén 2 trục 37 Hình 2.6: Thí ngihệm kéo đối với mẫu thép có chiều dài tự do 750mm 37 Hình 2.7: Quan hệ dính bám giữa bê tông và cốt thép 38 Hình 2.8: Một số phần tử hữu hạn thông dụng 43 Hình 2.9: Sơ đồ kết cấu dầm 53 Hình 2.10: Sự phân bố vết nứt ở trạng thái phá hoại 53 Hình 2.11: Sự phân bố vết nứt ở trạng thái phá hoại theo kết quả tính toán 54 Hình 2.12: Biến dạng tại vị trí giữa bản phụ thuộc vào tải trọng 55 Hình 2.13: Hình ảnh thí nghiệm và cấu tạo của dầm 56 Hình 2.14: Hình ảnh vết nứt của dầm trong thí nghiệm cắt 56 Hình 2.15: Hình ảnh thí nghiệm và cấu tạo của dầm 57 Hình 2.16: Biểu đồ tải trọng tập trung tác dụng và chuyển vị 57 Hình 3.1: Mô hình thí nghiệm và các điểm đo chuyển vị và biến dạng 63
xv Hình 3.2: Dầm bê tông thí nghiệm theo sơ đồ 4 điểm 64 Hình 3.3: Biểu đồ quan hệ chuyển vị phụ thuộc vào tải trọng 67 Hình 3.4: Biểu đồ biến dạng của mặt cắt giữa dầm D02 (gia cường 1 lớp) 68 Hình 3.5: Biểu đồ biến dạng của mặt cắt giữa dầm D05 (gia cường 4 lớp) 68 Hình 3.6: Sự gia tăng sức chịu tải của dầm với các mức độ gia cường 69 Hình 3.7: Mô hình thí nghiệm bản (tấm) chịu uốn 72 Hình 3.8: Thí nghiệm bản bê tông cốt thép gia cường bằng tấm composite 72 Hình 3.9: Hình ảnh kết quả thí nghiệm của bản ở trạng thái phá hoại 74 Hình 3.10: Dạng phá hoại của bản gia cường 75 Hình 3.11: Biểu đồ quan hệ chuyển vị-tải trọng ở vị trí giữa bản 76 Hình 3.12: Biểu đồ biến dạng của mặt cắt giữa bản B03 76 Hình 3.13: Biểu đồ vết nứt của dầm dưới tác dụng của tải trọng uốn 78 Hình 3.14: Biểu đồ phân bố vết nứt và bề rộng vết nứt của dầm. 79 Hình 3.15: Biểu đồ ứng suất cốt thép trong dầm 79 Hình 3.16: Hình ảnh vết nứt của dầm được gia cường 80 Hình 3.17: Sự phát triển vết nứt do lực cắt tại khu vực không gia cường 80 Hình 3.18: Ứng suất trong cốt thép 80 Hình 3.19: Quan hệ tải trọng – chuyển vị tại vị trí giữa dầm 81 Hình 3.20: Vết nứt và ứng suất dọc của bản trước khi gia cường 82 Hình 3.21: Vết nứt và biến dạng dẻo chính của bản trước khi gia cường 82 Hình 3.22: Ứng suất trong cốt thép của bản trước khi gia cường 83 Hình 3.23: Sơ đồ kết cấu mô phỏng bằng phương pháp phần tử hữu hạn 83 Hình 3.24: Chuyển vị, vết nứt và biến dạng dẻo của bản tại tải trọng cực hạn 84 Hình 3.25: Chuyển vị, vết nứt và ứng suất dọc của bản tại tải trọng cực hạn 84 Hình 3.26: Chuyển vị phụ thuộc tải trọng của kết cấu bản không gia cường 84 Hình 3.27: Chuyển vị, vết nứt và ứng suất theo phương X của bê tông bản tại tải trọng cực hạn 85 Hình 3.28: Chuyển vị tại vị trí giữa bản B02 phụ thuộc vào tải trọng 85 Hình 3.29: Chuyển tại vị trí giữa bản B03 phụ thuộc vào tải trọng 86
xvi Hình 3.30: Biến dạng tại vị trí giữa bản phụ thuộc vào tải trọng 86 Hình 3.31: Cấu kiện dạng bản được gia cường bằng tấm composite 87 Hình 3.32: Quan hệ giữa tỷ số a/Le và hệ số điều chỉnh tính toán 92 Hình 3.33: Vết nứt tại trạng thái giới hạn phụ thuộc vào mức độ gia cường 97 Hình 3.34: Quan hệ chuyển vị và tải trọng giới hạn phụ thuộc vào mức độ gia cường 98 Hình 3.35: Quan hệ tải trọng giới hạn và mức độ gia cường 99 Hình 3.36: Quan hệ chuyển vị và tải trọng giới hạn phụ thuộcvào cường độ bê tông 101 Hình 3.37: Quan hệ tải trọng giới hạn và cường độ bê tông 102 Hình 3.38: Quan hệ tải trọng và chuyển vị phụ thuộc vào hàm lượng cốt thép 103 Hình 3.39: Quan hệ tải trọng giới hạn và hàm lượng cốt thép thường 103 Hình 3.40: Quan hệ chuyển vị và tải trọng giới hạn phụ thuộc vào chiều dày lớp bê tông bảo vệ 105 Hình 3.41: Quan hệ tải trọng giới hạn và chiều dày lớp bê tông bảo vệ 105 Hình 3.42: Sự phát triển của vết nứt và trạng thái ứng suất trong dầm 104 Hình 3.43: Quan hệ tải trọng giới hạn và chiều dài đoạn bê tông không gia cường 109 Hình 4.1: Hiện trạng cống trước và sau khi gia cường 117 Hình 4.2: Sơ đồ tải trọng của kết cấu 119 Hình 4.3: Ứng suất trong cốt thép và vết nứt của kết cấu trước khi gia cường 121 Hình 4.4: Kiểm nghiệm thực tế, đo biến dạng kết cấu 124 Hình 4.5: Cầu máng trong quá trình thi công 128 Hình 4.6: Vết nứt thẳng đứng trong dầm chủ 129 Hình 4.7: Mô hình phân tích phần tử hữu hạn 3D 130 Hình 4.8: Sơ đồ tính phần tử hữu hạn cho dầm và thành biên cầu máng 132 Hình 4.9: Sơ đồ tính phần tử hữu hạn cho dầm và thành biên cầu máng (ATENA 2D) 132 Hình 4.10: Hình ảnh vết nứt của kết cấu theo tính toán ở bước tải 2 133
xvii Hình 4.11: Hình ảnh vết nứt và phân bố ứng suất trong cốt thép ở tải 3 133 Hình 4.12: Biểu đồ tải trọng-độ võng của dầm biên 134 Hình 4.13: Phương án gia cường kết cấu cho dầm chủ 136 Hình A.1.1: Mẫu thí nghiệm kéo để xácđịnh giới hạn bền và môđun đàn hồi của vật liệu 153 Hình A1.2: Hai khối bê tông khi chưa nối 154 Hình A1.3: Hai khối bê tông đãđược dán vào nhau bởi keo Epoxy và sợi thuỷ tinh 154 Hình A1.4: Bê tông bị phá hoại, liên kết còn nguyên 155 Hình A2.1: Ứng suất – biến dạng của cốt thép xác định qua thí nghiệm 156 Hình A3.1: Ứng suất – biến dạng của bê tông xác định qua thí nghiệm 156 Hình A4.1: Mô hình thí nghiệm và các điểm đo chuyển vị và biến dạng 159 Hình A4.2: Ván khuôn và cốt thép (trái), đổ bê tông (phải) 159 Hình A4.3: Đổ bê tông (trái), dỡ ván khuôn (phải) 160 Hình A4.4: Thí nghiệm dầm bê tông gia cường chịu uốn 160 Hình A6.1: Sơ đồ và kết quả thí nghiệm bản bê tông cốt thép chịu uốn 161 Hình A6.2: Hình ảnh kết quả thí nghiệm bản bê tông cốt thép chịu uốn 161 Hình C1: Mô hình phân tích phần tử hữu hạn cho dầm được gia cường không kín lớp dưới 168 Hình C2: Biến dạng dẻo chính và vết nứt trong dầm tại trạng thái giới hạn, dầm không gia cường 169 Hình C3: Biến dạng dẻo chính và vết nứt trong dầm tại trạng thái giới hạn, lớp gia cường có độ cứng E1 169 Hình C4: Biến dạng dẻo chính và vết nứt trong dầm tại trạng thái giới hạn, lớp gia cường có độ cứng E2 170 Hình C5: Biến dạng dẻo chính và vết nứt trong dầm tại trạng thái giới hạn, lớp gia cường có độ cứng E3 170 Hình C6: Biến dạng dẻo chính và vết nứt trong dầm tại trạng thái giới hạn, lớp gia cường có độ cứng E4 171
xviii Hình C7: Biến dạng dẻo chính và vết nứt trong dầm tại trạng thái giới hạn, lớp gia cường có độ cứng E5 171 Hình C8. Sơ đồ mặt cắt tính toán 174 Hình C9: Sơ đồ tải trọng tác dụng lên cống 176 Hình C10: Sơ đồ lực cuối cùng tác dụng lên cống 179 Hình C11: Ứng suất và vết nứt trong kết cấu cống trước khi gia cường 181 Hình C12: Ứng suất và vết nứt trong kết cấu cống sau khi gia cường 182
1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Việt Nam có điều kiện thời tiết phức tạp, bất lợi cho công trình xây dựng nói chung và kết cấu bê tông cốt thép nói riêng. Sự xâm thực mạnh của môi trường gây ra hiện tượng rỉ thép, bong tróc lớp bê tông bảo vệ và làm giảm sức chịu tải của hệ thống kết cấu chịu lực bằng bê tông cốt thép. Trong kết cấu công trình thủy lợi, sự xâm thực đã làm cho nhiều công trình có kết cấu bằng bê tông cốt thép như các cống dưới đê, đập,… xuống cấp nghiêm trọng, không đảm bảo tuổi thọ thiết kế. Ngoài ra, những thay đổi do yêu cầu sử dụng thường có xu hướng bất lợi đối với kết cấu công trình hiện hữu đòi hỏi việc thực hiện các giải pháp sửa chữa, nâng cấp hoặc thậm chí thay mới kết cấu công trình. Khi đó, sửa chữa và nâng cấp thường là giải pháp hữu hiệu vì việc thay mới hàng loạt công trình đòi hỏi khoản tài chính rất lớn, khó có thể đáp ứng được. Việc nghiên cứu các giải pháp công nghệ sửa chữa, gia cường để duy trì và phục hồi sự làm việc bình thường của kết cấu công trình thủy lợi bằng bê tông cốt thép là một yêu cầu cấp thiết. Gần đây, ở nước ta bắt đầu tiếp cận một giải pháp gia cường kết cấu công trình bê tông cốt thép bằng vật liệu composite sợi các bon, thủy tinh và aramid (từ đây trở đi để tiện cho việc trình bày sẽ gọi ngắn gọn là vật liệu composite). Tuy nhiên, việc nghiên cứu về giải pháp gia cường: dùng loại vật liệu nào, dán bao nhiêu lớp, dán theo phương pháp nào, kích thước bao nhiêu là phụ thuộc vào tình trạng chịu lực, tình trạng phá hủy của kết cấu. Nghiên cứu về ứng xử của kết cấu sau khi gia cường vẫn còn nhiều thách thức, đặc biệt là về các trạng thái phá hủy của kết cấu mới thường đột ngột (phá hoại giòn do phá hoại lớp keo dính bám hoặc bóc tách lớp bê tông bảo vệ) nên việc kiểm soát ứng xử của kết cấu vẫn còn là một thách thức. Để đánh giá hiệu quả của việc gia cường, các thông số như vật liệu, trạng thái chịu lực trước khi gia cường cần được phân tích kỹ lưỡng, nhất là việc xem xét tới ảnh hưởng của đoạn không gia cường, mức độ gia cường (số lớp và loại vật liệu gia cường) đến dạng phá hoại và sức chịu tải giới hạn của kết cấu. Vì phương pháp dán lớp vật liệu gia cường composite thường được áp dụng ở bề mặt cấu kiện chịu kéo,
2 nên việc này cũng đã làm gia tăng mật độ vật liệu chịu kéo nhiều hơn, dẫn tới việc phân bố lại ứng suất biến dạng trong mặt cắt cấu kiện, và cụ thể là bê tông vùng chịu nén có thể bị phá hoại giòn nếu số lớp vật liệu gia cường đủ dày. Do vậy, việc xác định ứng xử của hệ thống kết cấu trước và sau khi gia cường dưới tác dụng của tải trọng cũng như sức chịu tải của nó là rất cần thiết, không chỉ ảnh hưởng trực tiếp đến việc lựa chọn mức độ và phương án gia cường mà còn giúp việc quản lý khai thác được hiệu quả về kỹ thuật và kinh tế. 2. Mục đích nghiên cứu Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng chịu lực của kết cấu bê tông cốt thép được gia cường bằng tấm composite ứng dụng cho công trình thủy lợi. Đề xuất cơ sở cho việc xây dựng qui trình và phương pháp tính toán thiết kế gia cường kết cấu bê tông cốt thép bằng tấm composite. 3. Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu tài liệu: Nghiên cứu, phân tích các thông tin kỹ thuật liên quan được công bố qua các tài liệu như sách, báo, tiêu chuẩn thiết kế… ở trong và ngoài nước. Phương pháp mô hình vật lý: Mục đích của nghiên cứu thực nghiệm nhằm kiểm định đánh giá, so sánh kết quả với tính toán bằng mô hình số, qua đó để khẳng định mô hình số hoàn toàn có thể mô phỏng chính xác ứng xử của kết cấu gia cường bằng tấm composite. Nghiên cứu thực nghiệm được tiến hành trên 6 dầm bê tông cốt thép kích thước b x h x L = 150 x 250 x 3000 (mm) với các mức độ gia cường khác nhau; 2 bản bê tông cốt thép kích thước a x b x h = 600 x 1000 x 60 (mm). Ngoài ra các thí nghiệm liên quan như nén mẫu bê tông, kéo thép, kéo mẫu composite cũng được tiến hành. Theo quan điểm của tác giả, hình dạng, kích thước, cường độ bê tông và điều kiện tải trọng như trình bày trong luận án có thể mô phỏng đúng điều kiện làm việc của công trình thủy lợi.