Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật xây dựng: Nghiên cứu ứng xử cắt của dầm bê tông cường độ cao cốt sợi thép

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:174

Thêm vào BST

Báo xấu

39
lượt xem 7
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài là nghiên cứu lý thuyết về ứng xử cắt của dầm BTCT và BTCST nói riêng từ đó lựa chọn được mô hình bán thực nghiệm phù hợp với tính toán về cắt cho dầm BTCĐC CST có sử dụng cốt đai; Nghiên cứu thực nghiệm điều chỉnh công thức dự báo sức kháng cắt cho dầm BTCĐC CST có sử dụng cốt đai.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật xây dựng: Nghiên cứu ứng xử cắt của dầm bê tông cường độ cao cốt sợi thép

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TRẦN THỊ LÝ NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ CẮT CỦA DẦM BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ CAO CỐT SỢI THÉP LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÀ NỘI - 2022
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TRẦN THỊ LÝ NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ CẮT CỦA DẦM BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ CAO CỐT SỢI THÉP Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình đặc biệt Mã số : 9580206 LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS.TS. Phạm Duy Anh 2. TS. Đào Văn Dinh HÀ NỘI - 2022
i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu nêu trong luận án là do tôi thực hiện, kết quả thí nghiệm trung thực và chưa được công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Hà Nội, ngày tháng năm 2022 Tác giả luận án Trần Thị Lý
ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................i MỤC LỤC ...................................................................................................................ii DANH MỤC HÌNH ẢNH .......................................................................................... v DANH MỤC BẢNG BIỂU .................................................................................... viii DANH MỤC VIẾT TẮT, KÝ HIỆU .........................................................................ix MỞ ĐẦU ..................................................................................................................... 1 Chương 1. TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG CỐT SỢI THÉP VÀ ỨNG XỬ CẮT DẦM BÊ TÔNG CỐT SỢI THÉP ........................................................................................ 6 1.1. Lịch sử phát triển bê tông cường độ cao cốt sợi thép ........................................ 6 1.1.1. Lịch sử phát triển của bê tông cường độ cao............................................ 6 1.1.2. Lịch sử phát triển của bê tông cốt sợi thép (BTCST) .............................. 8 1.2. Tính năng cơ học của bê tông cốt sợi thép ...................................................... 11 1.2.1. Lực dính bám giữa sợi thép và chất nền BT, dính bám của cốt thép và BTCST .............................................................................................................. 11 1.2.2. Cường độ chịu kéo trực tiếp của BTCST. ............................................. 13 1.2.3. Cường độ chịu nén ................................................................................. 15 1.2.4. Cường độ chịu uốn ................................................................................. 16 1.2.5. Độ bền cắt ............................................................................................... 17 1.2.6. Co ngót và từ biến .................................................................................. 18 1.2.7. Ảnh hưởng của cốt sợi thép đến tính chất cơ học BTCST ..................... 18 1.3. Tổng quan về nghiên cứu ứng xử cắt của dầm BT CST và BTCĐC CST trong nước và thế giới ........................................................................................... 21 1.4. Kết luận chương 1 ............................................................................................ 37 Chương 2. NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MÔ HÌNH DỰ BÁO SỨC KHÁNG CẮT CỦA DẦM BTCĐC CST ......................................................................................... 39 2.1. Sự phá hủy và các thành phần lực cắt của dầm BTCST .................................. 39 2.1.1. Sự phá hủy dầm BTCT và BTCST ........................................................ 39 2.1.2. Các thành phần tham gia chịu cắt. 41
iii 2.1.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến sức kháng cắt của dầm BT CST .................. 48 2.2. Các mô hình dự báo sức kháng cắt của dầm BT CST ..................................... 53 2.2.1. Các mô hình trong tiêu chuẩn hiện hành ................................................ 53 2.2.2. Các mô hình thực nghiệm ...................................................................... 56 2.2.3. Các mô hình bán thực nghiệm:............................................................... 64 2.3. Xây dựng mô hình tính toán sức kháng cắt dầm BTCĐC CST ....................... 76 2.3.1. Cơ sở lý thuyết xây dựng mô hình tính toán sức kháng cắt dầm BTCĐC CST ..................................................................................................... 76 2.3.2. Kế hoạch thí nghiệm xây dựng mô hình tính toán cường độ chịu kéo dư (σf). .............................................................................................................. 85 2.3.3. Mô hình tính toán sức kháng cắt đề xuất dầm BTCĐC CST và sơ đồ khối bài toán ...................................................................................................... 92 2.4. Kết luận chương 2 ............................................................................................ 95 Chương 3. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ỨNG XỬ CẮT DẦM BTCĐC CST 97 3.1. Mục tiêu thí nghiệm ......................................................................................... 97 3.2. Thiết kế dầm thí nghiệm .................................................................................. 97 3.2.1. Lựa chọn cấu tạo dầm BT CĐC CST thí nghiệm................................... 97 3.2.2. Số lượng dầm, các thông số của dầm thí nghiệm ................................. 100 3.3. Tính toán sức kháng cắt dầm thử nghiệm theo mô hình đề xuất và khảo sát các yếu tố ảnh hưởng .......................................................................................... 100 3.3.1. Dự báo sức kháng cắt dầm BTCĐC CST và khảo sát hưởng hàm lượng sợi ......................................................................................................... 100 3.3.2. Ảnh hưởng của chiều dài sợi ................................................................ 102 3.3.3. Ảnh hưởng của chiều cao dầm ............................................................. 102 3.4. Tính toán tải trọng thí nghiệm ....................................................................... 103 3.5. Tiến hành thử nghiệm .................................................................................... 104 3.5.1. Chế tạo dầm .......................................................................................... 104 3.5.2. Tiến hành uốn dầm ............................................................................... 105 3.6. Kết quả và phân tích kết quả .......................................................................... 107
iv 3.6.1. Sức kháng cắt của dầm thử nghiệm...................................................... 107 3.6.2. Phân tích hình thức phá hủy dầm thử nghiệm ...................................... 108 3.6.3. Phân tích về mối quan hệ tải trọng và độ võng giữa nhịp .................... 110 3.6.4. Phân tích kết quả đo biến dạng bê tông miền nén ................................ 111 3.6.5. Kết quả đo biến dạng trong cốt dọc chủ ............................................... 112 3.6.6. Kết quả đo biến dạng trong cốt đai....................................................... 114 3.7. Kết luận chương 3 .......................................................................................... 115 Chương 4. NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG TÍNH TOÁN VỀ CẮT CHO DẦM CẦU ĐƯỜNG BỘ SỬ DỤNG BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ CAO CỐT SỢI THÉP ........... 117 4.1. Đặt vấn đề ...................................................................................................... 117 4.2. Giải pháp thiết kế cắt cho dầm cầu dường bộ bằng BTCST ......................... 117 4.3. Trình tự thiết kế.............................................................................................. 120 4.4. Ví dụ tính toán ............................................................................................... 123 4.4.1. Số liệu tính toán .................................................................................... 123 4.4.2. Tính toán nội lực trong dầm ................................................................. 124 4.4.3. Kết quả tính toán .................................................................................. 126 4.5. Kết luận chương 4 .......................................................................................... 126 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ: ............................................................................... 128 CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ ............................................... 130 TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................... 131 PHỤ LỤC 1: ...................................................................................................................... 142 PHỤ LỤC 2: ...................................................................................................................... 153 PHỤ LỤC 3: ...................................................................................................................... 158
v DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Ứng xử của cốt sợi thép Dramix trong bê tông ..........................................12 Hình 1.2 Thí nghiệm kéo cốt thép trượt khỏi bê tông[105] ......................................13 Hình 1.3. Biểu đồ úng xuất- biến dạng của thí nghiệm kéo trực tiếp mẫu BTCST ..14 Hình 1.4. Mẫu thử và đồ thị mối quan hệ giữa ứng suất- độ biến dạng sau nứt .......14 Hình 1.5. Ứng xử uốn của bê tông cốt sợi thép ........................................................16 Hình 1.6. Mối liên hệ giữa chiều dài sợi (Lf) và độ mở rộng vết nứt (w) với mô men trong dầm theo tác giả De-Montaignac và các cộng sự ...................19 Hình 1.7 Chiều dài nhịp cắt(a) và chiều cao hữu hiệu(d) .........................................25 Hình 1.8 Biểu đồ liên hệ giữa lực tác dụng và độ võng dầm BTCST ......................26 Hình 1.9. Các vết nứt do lực cắt gây ra trong dầm BT CĐC và BTCĐC CST ........28 Hình 1.10. Các dạng vết nứt trong dàm UHPC ........................................................31 Hình 1.11. Mô hình thí nghiệm dầm BTCT DUL sử dụng cốt sợi thép ...................33 Hình 1.12. Dạng phá hoại của dầm BT CĐSC không bố trí cốt đai và cốt sợi ........34 Hình 1.13 Ứng xử cắt của dầm BT CĐSC có sợi thép .............................................35 Hình 1.14 Ứng xử cắt của dầm BT CĐSC có sợi thép .............................................35 Hình 1.15. Ứng xử cắt trong dầm BT CĐSC có bố trí cốt đai và cốt sợi kết hợp ....35 Hình 2.1. Các hình thức phá hủy của dầm BTCST không cốt đai ............................40 Hình 2.2. Mô hình phá hủy dầm BTCST có cốt đai .................................................41 Hình 2.3. Vùng B và vùng D trong dầm thông thường.............................................42 Hình 2.4. Sự phân bố ứng suất cắt trong bê tông chưa nứt .......................................42 Hình 2.5. Cơ chế truyền lực của bê tông thông qua ma sát giữa các bề mặt vết nứt khi có cốt thép chịu cắt ..........................................................................44 Hình 2.6. Đường cong quan hệ giữa biến dạng trượt do cắt và ứng suất cắt ............45 Hình 2.7. Mô hình phá hủy cơ học do hiệu ứng chốt................................................46 Hình 2.8. Lớp bê tông bảo vệ quanh cốt thép ...........................................................46 Hình 2.9. Biểu đồ ứng suất kéo và độ mở rộng vết nứt của bê tông CST ................47 Hình 2.10. Sự làm việc của bê tông và cốt đai trong mô hình dàn .........................48 Hình 2.11. Mô hình dàn khi tính toán chống cắt dầm BTCT ..................................48
vi Hình 2.12. Đồ thị biểu diễn tương quan giữa ứng suất cắt trung bình và tỷ số a/d .......49 Hình 2.13 Tương quan giữa ứng suất cắt trung bình và chiều cao có hiệu của dầm BTCST .....................................................................................................50 Hình 2.14. So sánh cường độ chịu cắt thử nghiệm và trong tiêu chuẩn khi tăng cường độ chịu nén tới 100MPa ..............................................................51 Hình 2.15 Mô hình tính toán về cắt dầm BTCĐC CST không cốt đai .....................57 Hình 2.16. Mô hình tính toán dầm BTCST theo Lim và Oh ....................................60 Hình 2.17. Mô hình tính toán sức kháng cắt theo Hai H. Dinh và cộng sự ..............62 Hình 2.18 Sơ đồ úng suất trên tiết diện .....................................................................63 Hình 2.19 Mô hình vết nứt trượt trong dầm bê tông cốt sợi thép không có cốt đai trên hình ...................................................................................................65 Hình 2.20 Mô hình vật liệu BTCST .........................................................................66 Hình 2.21. Mô hình giàn mềm cải tiến tính toán về cắt Dầm BTCST......................66 Hình 2.22. Xác định giá trị  và  cho các dầm không chứa cốt thép đai. ..............72 Hình 2.23 So sánh giá trị của β và θ khi sử dụng hai mô hình MCFT và MCFT đơn giản ...................................................................................................73 Hình 2.24 Cấu trúc của mạng ANN 10 .....................................................................75 Hình 2.25 Mô hình ứng xử kéo của bê tông cốt sợi thép theo MCTF ......................78 Hình 2.26 Phân bố ứng suất trên tiết diện vết nứt nghiêng .......................................79 Hình 2.27 Hiệu ứng vòm trong dầm BTCST ...........................................................82 Hình 2.28. Môi quan hệ giữa năng lực thống kê phụ thuộc theo cỡ mẫu và độ sai khác so với giá trị trung bình ...................................................................88 Hình 2.29. Hàm phân phối chuẩn cường độ ép chẻ của mẫu không sợi và sợi ngắn ......90 Hình 2.30. Hàm phân phối chuẩn cường độ ép chẻ của mẫu không sợi và sợi dài ..90 Hình 2.31. Hàm phân phối chuẩn cường độ ép chẻ của mẫu sợi ngắn và sợi dài ....90 Hình 2.32. Kết quả xử lý số liệu của mẫu sử dụng loại sợi ngắn (lf/df=63.63) ........91 Hình 2.33. Kết quả xử lý số liệu của mẫu sử dụng sợi dài (Lf/Df=80) .....................91 Hình 2.34. Sơ đồ khối tính toán sức kháng cắt cho dầm BTCĐC CST ....................94 Hình 3.1. Biểu đồ quan hệ ứng suất biến dạng khi thí nghiệm kéo cốt dọc chủ.......98
vii Hình 3.2 Bố trí cốt thép và các vị trí đo biến dạng và độ võng khi uốn dầm BTCĐC CST ...........................................................................................99 Hình 3.3. Đồ thị mối tương quan giữa Sức kháng cắt dầm BTCĐC CST cấp 70MPa và hàm lượng sợi ngắn (Lf/Df=63.63) .......................................101 Hình 3.4. Sức kháng cắt dầm BTCĐC CST cấp 70MPa khi sử dụng loại sợi ngắn (65/35) và sợi dài (80/60) ......................................................................102 Hình 3.5 Ván khuôn đúc dầm BTCĐC CST ...........................................................105 Hình 3.6 Sơn và kẻ ô cho dầm thử nghiệm .............................................................105 Hình 3.7 Thí nghiệm uốn dầm ................................................................................106 Hình 3.8 Sơ đồ bố trí thiết bị đo tải trọng và độ võng khi uốn dầm .......................106 Hình 3.9 Mô hình vết nứt khi uốn dầm Dầm B-0-300-6-300 .................................108 Hình 3.10 Mô hình vết nứt khi uốn dầm Dầm B-0.63-300-6-300-SN ...................109 Hình 3.11. Mô hình vết nứt khi uốn dầm Dầm B-1-300-6-300-SN .......................109 Hình 3.12. Mô hình vết nứt khi uốn dầm Dầm B-0.63-300-6-300-SD ..................109 Hình 3.13 Mô hình vết nứt khi uốn dầm Dầm A-0-300-6-300 ...............................110 Hình 3.14. Mô hình vết nứt khi uốn dầm Dầm B-0.63-300-6-300-SN ..................110 Hình 3.15. Đồ thị quan hệ giữa tải trọng và độ võng giữa nhịp dầm H400mm .....111 Hình 3.16. Đồ thị về tải trong và biến dạng trong bê tông miền nén dầm H400mm .....112 Hình 3.17. Đồ thị quan hệ lực cắt và biến dạng trong cốt dọc chủ vị trí D1(dầm H400mm) 113 Hình 3.18. Đồ thị lực cắt và biến dạng trong cốt dọc chủ vị trí D2 (dầm H400mm)............113 Hình 3.19. Đồ thị quan hệ lực cắt và biến dạng trong cốt đai vị trí T1 (με) ...........114 Hình 3.20. Đồ thị quan hệ lực cắt và biến dạng trong cốt đai vị trí T2 (μƐ)...........115 Hình 4.1. Đồ thị quan hệ tải trọng và độ mở rộng vết nứt ......................................118 Hình 4.2. Ứng xử mềm (a) và cứng (b) khi kéo dọc trục ........................................118 Hình 4.3 Mẫu dầm xác định cường độ chịu kéo uốn ..............................................119 Hình 4.4. Giá trị của Sx khi cốt dọc tập trung và không tập trung .........................123 Hình 4.5. Kích thước dầm .......................................................................................123 Hình 4.6. Biểu đồ bao mô men dầm BTCĐC CST tải trọng HL93 ........................124 Hình 4.7. Phương án cốt thép cho dầm BTCĐC CST ............................................125 Hình 4.8. Biểu đồ bao lực cắt dầm BTCĐC CST tải trọng HL93 ..........................125
viii DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Phương trình tương thích biến dạng, các phương trình cân bằng trong mô hình và ứng suất biếng dạng MCFT cho đầm BTCT [47] ...............69 Bảng 2.2 Phương trình tương thích biến dạng, các phương trình cân bằng trong mô hình và ứng suất biếng dạng MCFT cho đầm BTCST [61] ..............77 Bảng 2.3 Kết quả tính toán số lượng mẫu trong một tổ mẫu bằng Minitab V17......88 Bảng 2.4 Số lượng và kích thước mẫu ép chẻ và mẫu nén .......................................89 Bảng 3.1 Kết quả thí nghiệm kéo thép đai ................................................................99 Bảng 3.2 Các thông số thiết kế của các dầm thử nghiệm .......................................100 Bảng 3.3 Kết quả tính toán sức kháng cắt dầm BT CĐC CST theo mô hình đề xuất (Sợi ngắn).......................................................................................101 Bảng 3.4 So sánh ứng suất cắt trung bình trong dầm BTCĐC CST trong dầm có H=400mm và H=450mm .......................................................................103 Bảng 3.5. Bảng tải trọng tính toán theo lực cắt và mô men tới hạn ........................104 Bảng 3.6. So sánh kết quả thử nghiệm và mô hình lý thuyết..................................107 Bảng 4.1 Kết quả tính toán cốt đai cho dầm BTCST khi dùng sợi dài ...................126 Bảng 4.2 Kết quả tính toán cốt đai cho dầm BTCST khi dùng sợi ngắn ................126
ix DANH MỤC VIẾT TẮT, KÝ HIỆU AASHTO : American Association of State Highway and Transportation officials (Hiệp hội Các viên chức Đường bộ và Vận tải Mỹ) AASHO : American Association of State Highway officials (Hiệp hội Các viên chức Đường bộ Mỹ) ACI : American Concrete Institute (Viện bê tông Mỹ) ASCE : Americal Sociaty of Civil Engineers BTCT : Bê tông cốt thép BTCST : Bê tông cốt sợi thép BTCĐC : Bê tông cường độ cao BTCĐC CST : Bê tông cường độ cao cốt sợi thép CMOD : Crack Mouth Opening Displacement CKD : Chất kết dính CEB : Comité Européen du Béton (Ủy ban Bê tông Châu Âu) DIN : Deutsches Institut fỹr Normung (Viện Tiêu chuẩn Đức) Đ/C : đá/cát FIP : Fédération Internationale de la Précontraninte (Hiệp hội Quốc tế về Dự ứng lực) FA : Fly Ash (tro bay) GTVT : Giao thông vận tải HRWR : High Range Water Reducer (Phụ gia giảm nước cao) HPC : High Performance Concrete (Bê tông tính năng cao) HSC : High Strength Concrete (Bê tông cường độ cao) JSCE : Japan Society of Civil Engineers (Hội Kỹ sư Xây dựng Nhật Bản) RILEM : International Union of Laboratories and Experts in Construction Materials, Systems and Structures (Hiệp hội Quốc tế các phòng thí nghiệm và chuyên gia về vật liệu xây dựng, hệ thống và kết cấu) MS : Muội silic N/X : Nước/xi măng
x N/CKD : Nước/Chất kết dính RI : Chỉ số sợi thép PGSD : Phụ gia siêu dẻo SFRC : Steel Fiber Reinforeced Concrete (bê tông cốt sợi thép) TCN : Tiêu chuẩn ngành TCVN : Tiêu chuẩn Việt Nam TCXDVN : Tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam TI : Chỉ số độ dẻo BTCST UHPC : Ultra High Performance Concrete (bê tông siêu tính năng) VLXD : Vật liệu xây dựng WRA : Water reducing admixture (Phụ gia giảm nước) Lf/Df : Chiều dài sợi thép/đường kính sợi thép Lf : Chiều dài sợi tiêu chuẩn Df : Đường kính sợi νb : Cường độ dính bám bề mặt S : Khoảng cách sợi tiêu chuẩn σpc : Cường độ chịu kéo sau nứt BTCST λ1 : Hệ số ảnh hưởng do chiều dài sợi λ2 : Hệ số ảnh hưởng do hướng của sợi λ3 : Hệ số xét tới số sợi cắt qua một đơn vị diện tích τ : Lực dính bám giữa sợi thép và bê tông Vf : Hàm lượng sợi b : Bề rộng tiết diện dầm bê tông cốt sợi h : Chiều cao tiết diện dầm bê tông cốt sợi F : Hệ số sợi k : Hệ số tính đổi cường độ chịu kéo gián tiếp sang trực tiếp vu : Cường độ chịu cắt trung bình của bê tông cốt sợi thép β : Hê số xét đến khả năng truyền lực kéo và cắt của bê tông đã nứt fct : Cường độ chịu kéo của bê tông cốt sợi
xi fsp : Cường độ chịu ép chẻ của bê tông cốt sợi a : Chiều dài nhịp cắt d : Chiều cao hữu hiệu ρ : Hàm lượng cốt dọc chủ ρv : Hàm lượng cốt đai νb : Ứng suất cắt do đóng góp cốt sợi thép chịu kéo fcùf : Cường độ chịu nén của mẫu bê tông cốt sợi khối lập phương bw : Bề rộng hữu hiệu Mu : Mô men do tải trọng tính toán gây ra Vu : Lực cắt do tải trọng tính toán gây ra Vcc : Sức khắng cắt của miền bê tông chịu nén Vd : Sức kháng cắt của cốt đai Va : Sức kháng cắt do sự cài cốt liệu Vf : Sức kháng cắt của do cốt sợi thép As : Diện tích cốt thép dọc Av : Diện tích cốt đai trong phạm vi bước cốt đai fy : Cường độ chịu kéo chảy của cốt dọc fwy : Cường độ chịu kéo chảy của cốt đai (σt) evrage : Ứng suất kéo trung bình của BTCST θ : Góc nghiêng của ứng suất nén chéo ν : Ứng suất cắt trung bình f1 : Ứng suất kéo trung bình của bê tông trên tiết diện nghiêng f2 : Ứng suất nén trung bình của bê tông trên tiết diện nghiêng w : Bề rộng vết nứt nghiêng f : Hệ số ma sát giữa bê tông và sợi thép ag : Kích thước lớn nhất của cốt liệu thô Sxe : Thông số khoảng cách vết nứt Ɛ1 : Biến dạng do ứng suất kéo chính Ɛ2 : Biến dạng do ứng suất nén chính
xii Ɛx : Biến dạng theo phương dọc trục dầm tại giữa chiều cao hữu hiệu Ɛs : Biến dạng trong cốt thép dọc chủ νci : Ứng suất cắt trên bề mặt vết nứt của bê tông fci : Ứng suất nén trung bình trên bê mặt vết nứt
1 MỞ ĐẦU 1. Đặt vấn đề Bê tông là một trong những loại vật liệu được sử dụng rộng rãi trong xây dựng công trình nói chung và công trình Giao thông nói riêng. Ngày nay do yêu cầu về quy mô và chất lượng, nhiều công trình đòi hỏi vật liệu bê tông có cường độ cao hơn. Đồng thời do khoa học phát triển, nhiều loại bê tông có tính năng cao và siêu cao đã được nghiên cứu và áp dụng. Bê tông cường độ cao (BTCĐC) - High Strength Concrete(HSC) là một trong những loại bê tông tiên tiến đã được áp dụng rất nhiều trên thế giới và ở Việt Nam. Bê tông cường độ cao có cường độ chịu nén lớn nhưng cường độ chịu kéo vẫn rất nhỏ. Ngoài việc tăng cường độ chịu nén, cường độ chịu kéo của bê tông cũng cần được cải thiện để tăng khả năng chịu lực cho các cấu kiện bê tông và bê tông cốt thép. Để tăng cường độ chịu kéo cho bê tông người ta thường sử dụng các loại cốt sợi phân tán như là một thành phần của cốt liệu trong hỗn hợp bê tông. Cốt sợi thép (CST) là một trong những loại cốt sợi được sử dụng phổ biến nhất do những lợi ích của nó mang lại. Vì vậy, bê tông cốt sợi thép (BT CST) là một trong những loại bê tông cốt sợi được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trên thế giới [6], [7], [8], [22], [26], [32], [42]. Nghiên cứu về thành phần và tính chất cơ học của BT CST đã được các nhà khoa học công bố rất nhiều trên thế giới và ở Việt Nam. Trước đây, để tăng cường khả năng chịu cắt cho dầm bê tông cốt thép (BTCT) người ta sử dụng cốt thép đai, cốt thép xiên truyền thống. Ngoài sử dụng cốt thép dạng thanh thông thường, các loại cốt làm từ vật liệu mới cũng đã được nghiên cứu để tăng cường sức kháng cắt của dầm BTCT như: cốt đai bằng composite, cốt sợi các bon, tấm dán các bon [18], [108],.. Để tăng cường sức kháng cắt cho dầm BTCT có thể sử dụng cốt dạng thanh như cốt đai, cốt xiên hoặc cốt sợi trong đó có sợi thép. Sợi thép có tính chất hàn gắn các vi vết nứt vì nó bắc cầu qua vết nứt, ngăn chặn sự phát triển vết nứt theo nghiên cứu của Narayanan và Darwish [95], Lim và Oh [99], Swamy R. và H. Bahia [41]. Cốt sợi thép làm tăng khả năng chịu kéo của bê tông, làm tăng sức kháng cắt vì vai trò kháng ứng suất kéo chính do lực cắt và mô men gây ra. Cốt sợi thép có thể ngăn
2 ngừa sự nứt chéo do ứng suất kéo chủ và vết nứt do kéo. Do đó việc sử dụng cốt sợi thép trong dầm BTCT chống lại sự phá hoại do cắt và làm tăng ứng xử dẻo trong dầm [92]. Đối với BTCĐC, cốt sợi thép sẽ phát huy tốt hơn vai trò của nó do lực dính bám giữa sợi thép và BTCĐC tốt hơn. Nhiều nghiên cứu về ứng xử của dầm bê tông cốt sợi thép đã chỉ ra được vai trò của cốt sợi thép khi chịu cắt. Theo một số nghiên cứu của các nhà sản xuất cốt sợi thép, sử dụng cốt sợi thép trong kết cấu BTCST có thể giảm được giá thành của công trình vì lý do: giảm được kích thước, thời gian thi công nhanh, độ bền lớn, khả năng chịu tác động môi trường tốt do nứt nhỏ. Chi phí thi công có thể giảm tới 30% [7], [22], [33]. Trên thế giới, đã có nhiều nghiên cứu ứng xử cắt dầm BTCST có cường độ trung bình [41], [59], [70], [76], [95]. Một số nghiên cứu về ứng xử cắt dầm bê tông cường độ cao cốt sợi thép (BTCĐC CST) và dầm bê tông cường độ siêu cao cũng đã được công bố [59], [101], [107], [115]. Đa số các nghiên cứu tập trung vào dầm không có cốt đai truyền thống để dễ dàng xem xét đóng góp của cốt sợi thép hơn. Tuy nhiên, do cốt thép đai đóng vai trò quan trọng trong dầm như: định vị cốt dọc, tạo khung cốt thép, chống xoắn tốt… Nên loại dầm bê tông có sử dụng cả cốt sợi thép và cốt đai truyền thống được quan tâm nghiên cứu. Việc nghiên cứu sâu hơn cho dầm BTCST có sử dụng cốt đai chưa được đề cập nhiều trên thế giới. Với bê tông cường độ cao, dính bám giữa cốt sợi thép và bê tông rất tốt. Ứng xử cắt của dầm BTCĐC CST cũng sẽ khác biệt với bê tông thường. Đặc biệt dầm bê tông cường độ cao sử dụng cốt sợi thép và cốt thép đai đồng thời đang là chủ đề cần nghiên cứu thêm. Như ta đã biết, ứng xử cắt của dầm bê tông cốt thép (BTCT) luôn là vấn đề phức tạp. Sự phá hoại do cắt có nguồn gốc từ các vết nứt nghiêng do nguyên nhân không chỉ bởi lực cắt mà còn do sự kết hợp của lực cắt với mô men uốn, mô men xoắn và lực dọc trục [10]. Sự phá hoại do cắt phụ thuộc vào nhiều yếu tố như kích thước, đặc trưng hình học, tác động tải trọng và các đặc trưng cấu tạo của vật liệu kết cấu. Các vết nứt do cắt nằm nghiêng và sự phá hoại do cắt phụ thuộc vào số lượng lớn các yếu tố, vì vậy thiết kế dầm bê tông cốt thép chịu cắt không giống như thiết kế dầm chịu uốn mà phải xem xét sự đáp ứng của kết cấu trong một chiều dài nhất định hơn là xem xét tại các mặt cắt riêng lẻ.
3 Từ những rủi ro của sự phá hoại do cắt trong cấu kiện chịu uốn bằng BTCT đã xảy ra trong quá khứ, dẫn đến các nhà nghiên cứu quan tâm hơn đến vấn đề này. Qua một số sự cố về phá hoại cắt của các kết cấu BTCT trên thế giới, đặt ra vấn đề cần xem xét, nghiên cứu thêm về ứng xử cắt của dầm BTCT và BTCST. Việc nghiên cứu về ứng xử cắt của dầm BT CST một cách toàn diện giúp các nhà khoa học đưa ra mô hình tính toán một cách chính xác hơn. Đặc biệt, nghiên cứu ứng xử cắt của dầm BTCĐC CST có sử dụng cốt đai là đề tài phức tạp [48], [70], [91] có rất ít nghiên cứu. Các chủ đề về ứng xử cắt của dầm BTCĐC CST cần được quan tâm nhiều hơn nữa. Tại Việt Nam, vấn đề nghiên cứu ứng xử cắt của dầm BTCST rất ít được công bố. Trong các tiêu chuẩn thiết kế kết cấu BTCT cho công trình cầu đường bộ vẫn chưa đề cập đến tính toán về cắt cho loại dầm BTCST và BTCĐC CST. Từ những phân tích trên, việc nghiên cứu một mô hình tính toán về cắt phù hợp cho dầm BTCĐC CST là cấp thiết và mang tính thời sự. Với các dầm có sử dụng cốt đai truyền thống kết hợp với cốt sợi thép, do mối quan hệ phức tạp về ứng suất biến dạng dẫn đến góc nghiêng của ứng suất nén chính và biến dạng trong cốt thép dọc chủ thay đổi. Vì vậy, ứng xử cắt của dầm BTCST vẫn là vấn đề phức tạp cần được nghiên cứu nhiều hơn và kỹ hơn. Do đó: “Nghiên cứu ứng xử cắt của dầm bê tông cường độ cao cốt sợi thép” có tính cấp thiết, nhất là sử dụng vật liệu trong điều kiện ở Việt Nam. 2. Mục đích nghiên cứu - Nghiên cứu lý thuyết về ứng xử cắt của dầm BTCT và BTCST nói riêng từ đó lựa chọn được mô hình bán thực nghiệm phù hợp với tính toán về cắt cho dầm BTCĐC CST có sử dụng cốt đai. - Nghiên cứu thực nghiệm điều chỉnh công thức dự báo sức kháng cắt cho dầm BTCĐC CST có sử dụng cốt đai. - Đưa ra trình tự thiết kế cắt cho dầm BTCĐC CST chịu tải trọng thiết kế trong tiêu chuẩn Thiết kế cầu đường bộ TCVN 11823-2017 - Nghiên cứu thực nghiệm kiểm chứng công thức đề ra, nghiên cứu các dạng phá hoại do cắt trong dầm BTCĐC CST và nghiên cứu về biến dạng trong
4 cốt thép dọc, cốt thép đai và trong bê tông miền chịu nén của dầm giản đơn BT CĐC CST. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu  Đối tượng nghiên cứu: Đối tượng nghiên cứu là ứng xử cắt của dầm giản đơn BTCĐC CST có sử dụng cốt đai. Dầm giản đơn BTCĐC CST tiết diện chữ nhật được kiểm chứng theo công thức tính sức kháng cắt đề xuất. Xem xét các hình thức phá hoại do cắt và cắt uốn của các dầm kích thước cụ thể theo thiết kế. Đo biến dạng trong cốt dọc, cốt đai, bê tông miền nén của dầm BTCĐC CST bằng các sen sơ gắn trực tiếp vào các vị trí cốt thép và bê tông theo thiết kế.  Phạm vi nghiên cứu: Dầm giản đơn BTCĐC CST. Cường độ chịu nén thiết kế là 70MPa. Cốt thép sợi hàm lượng trong khoảng từ 0,5%-2%. Sử dụng sợi thép Dramix, uốn móc 2 đầu có chiều dài thay đổi. Cốt sợi thép Dramix là loại sợi thép phổ biến và đã có ứng dụng vào kết cấu bê tông cốt thép ở Việt Nam. 4. Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu Lý thuyết kết hợp thực nghiệm để đưa ra được Mô hình dự báo sức kháng cắt của dầm BTCST và BTCĐC CST. Phần nghiên cứu lý thuyết có mục tiêu phân tích các mô hình bán thực nghiệm có thể tính toán về cắt cho dầm BTCST. Từ đó lựa chọn được mô hình phù hợp nhất để dự báo sức kháng cắt cho dầm BTCĐC CST. Phần nghiên cứu thực nghiệm gồm: Nghiên cứu thực nghiệm về tính chất chịu kéo (ép chẻ) của vật liệu BTCĐC CST từ đó dùng phần mềm tính toán để đưa ra được công thức dự báo phần đóng góp của riêng cốt sợi cho khả năng chịu kéo của BTCĐC CST. Xác định các tham số đầu vào để thí nghiệm xây dựng hàm mục tiêu. Kết hợp với mô hình bán thực nghiệm đã xem xét ở trên, xây dựng được công thức tính toán sức kháng cắt của dầm BTCĐC CST có sử dụng cốt đai. Nghiên cứu thử nghiệm trên các dầm kích thước thiết kế để kiểm chứng công thức tính toán sức kháng cắt đề ra. So sánh với mô hình trong tiêu chuẩn hiện hành trên thế giới.
5 5. Bố cục Luận án gồm các nội dung được bố cục như sau: Phần mở đầu Chương 1. Tổng quan về bê tông cốt sợi thép và ứng xử cắt của dầm BTCST Chương 2. Nghiên cứu xây dựng mô hình dự báo sức kháng cắt của dầm BTCĐC CST Chương 3. Nghiên cứu thực nghiệm ứng xử cắt của dầm bê tông cường độ cao cốt sợi thép Chương 4. Nghiên cứu ứng dụng tính toán về cắt cho dầm cầu đường bộ sử dụng bê tông cường độ cao cốt sợi thép Kết luận và Kiến nghị 6. Kết quả dự kiến - Khuyến nghị, lựa chọn được một mô hình phù hợp tính toán sức kháng cắt cho dầm BT CĐC CST - Kiến nghị công thức tính toán sức kháng cắt cho dầm BTCĐC CST dựa vào lý thuyết kết hợp với thực nghiệm về ép chẻ của các tổ hợp mẫu bê tông cường độ cao cốt sợi thép. - Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến sức kháng cắt của dầm BTCĐC CST - Nghiên cứu thử nghiệm trên các dầm BTCĐC CST kiểm chứng công thức dự báo sức kháng cắt đưa ra. Dự báo được góc nghiên ứng suất kéo chủ và hình thức phá hoại cắt dầm BTCĐC CST - Đưa ra trình tự thiết kế cắt cho dầm cầu đường bộ.
6 Chương 1. TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG CỐT SỢI THÉP VÀ ỨNG XỬ CẮT DẦM BÊ TÔNG CỐT SỢI THÉP 1.1. Lịch sử phát triển bê tông cường độ cao cốt sợi thép 1.1.1. Lịch sử phát triển của bê tông cường độ cao Trên thế giới, do yêu cầu phát triển của ngành xây dựng công trình, luôn đòi hỏi vật liệu mới phải đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật của công trình. Bê tông cường độ cao là một trong những vật liệu mới được nghiên cứu từ những năm 1960 và được ứng dụng sau đó. Lúc đầu bê tông cấp từ 34MPa trở lên đã được coi là cường độ cao [30], [90]. Theo thời gian quan niệm về bê tông cường độ cao cũng đã dần thay đổi, mới đầu bê tông cấp 40 MPa (6000 psi) được xem là cường độ cao và đó cũng là thành tựu đáng quý. Sau đó, theo báo cáo của tiểu ban 363R-92 [30] của Viện bê tông Hoa Kỳ lần thứ 2 đã thay đổi khái niệm, bê tông cường độ cao phải có cấp từ (41-55) MPa. Cho đến năm 1997 trong quá trình sửa đổi, Ủy ban bê tông 363 đã công nhận rằng định nghĩa bê tông cường độ cao tùy vào vị trí địa lý. Ở những nơi ứng dụng bê tông thương phẩm chủ yếu có cường độ nén khoảng 34 MPa thì bê tông cường độ cao có cường độ chịu nén là 62 MPa trở lên. Theo [15] bê tông cường độ cao là loại bê tông có cường độ chịu nén tuổi 28 ngày, lớn hơn 60MPa, với mẫu hình trụ D=15cm; H=30cm. Mẫu được dưỡng hộ, thử nghiệm theo các tiêu chuẩn hiện hành. Bê tông cường độ cao (BT CĐC) và chất lượng cao (BT CLC) - High Performance Concrete (HPC) - được nghiên cứu trên Thế giới vào thập kỷ 70 của thế kỷ 20 [15]. Bê tông cường độ cao đã được áp dụng tại Mỹ để xây nhà cao tầng; xây dựng các công trình ngoài biển ở Na Uy; Các công trình cầu được xây dựng từ bê tông chất lượng cao ở Pháp, Nga, Nhật bản đã đạt được thành công nổi bật. Trong giai đoạn từ năm 1960-1998, Chicago đã đóng vai trò quan trọng trong nghiên cứu phát triển bê tông cường độ cao và sản phẩm bê tông cường độ cao [90]. Tại đây, từ năm 1961 bê tông cấp 42 MPa được áp dụng cho dự án nhà chung cư Outer Drive East cao 40 tầng. Năm 197, lần đầu tiên bê tông có cường độ chịu nén 52 MPa đã được áp dụng để xây dựng nhà 52 tầng của một Trung tâm thương mại;