Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật xây dựng: Nghiên cứu ứng xử cơ học kết cấu mặt cầu bê tông cốt thép dạng bản trên dầm chịu tác dụng tĩnh của tải trọng xe

Chia sẻ: Dongcoxanh10 | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:190

Thêm vào BST

Báo xấu

27
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu của luận án "Nghiên cứu ứng xử cơ học kết cấu mặt cầu bê tông cốt thép dạng bản trên dầm chịu tác dụng tĩnh của tải trọng xe" nhằm xác định cơ chế xuất hiện, lan truyền, và mở rộng vết nứt cùng với ứng suất, độ võng của kết cấu mặt cầu bê tông cốt thép dạng bản trên dầm đổ tại chỗ chịu tác dụng tĩnh của tải trọng xe. Mời các bạn cùng tham khảo!

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 cơ học kết cấu mặt cầu bê tông cốt thép dạng bản trên dầm chịu tác dụng tĩnh của tải trọng xe

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI NGUYỄN ĐỨC HIẾU NGHİÊN CỨU ỨNG XỬ CƠ HỌC KẾT CẤU MẶT CẦU BÊ TÔNG CỐT THÉP DẠNG BẢN TRÊN DẦM CHỊU TÁC DỤNG TĨNH CỦA TẢİ TRỌNG XE LUẬN ÁN TIẾN SĨ Hà Nội - 2022
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI NGUYỄN ĐỨC HIẾU NGHİÊN CỨU ỨNG XỬ CƠ HỌC KẾT CẤU MẶT CẦU BÊ TÔNG CỐT THÉP DẠNG BẢN TRÊN DẦM CHỊU TÁC DỤNG TĨNH CỦA TẢİ TRỌNG XE Ngành : Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông Chuyên ngành : Xây dựng cầu hầm Mã số : 9580205 LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. TRẦN THẾ TRUYỀN Hà Nội - 2022
i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận án này là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi. Các kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa được công bố trong các công trình khác. Hà Nội, ngày tháng năm 2022 Tác giả Nguyễn Đức Hiếu
ii LỜI CẢM ƠN Luận án được thực hiện dưới sự hướng dẫn trực tiếp của PGS.TS Trần Thế Truyền. Tôi xin chân thành cảm ơn thầy hướng dẫn đã chỉ dẫn tận tình và đã đóng góp các ý kiến quý báu để giúp tôi thực hiện luận án này. Tôi xin trân trọng cảm ơn GS.TS Trần Đức Nhiệm, TS. Ngô Châu Phương đã đóng góp các ý kiến quý báu cho luận án. Tôi xin trân trọng cảm ơn Ban Giám Hiệu Trường Đại học Giao Thông Vận tải, Ban Giám đốc Phân hiệu, Phòng Đào tạo Sau đại học, bộ môn Cầu Hầm, bộ môn Sức bền vật liệu, bộ môn Vật liệu xây dựng, Trung tâm khoa học Công nghệ Giao thông Vận tải, Phòng thí nghiệm Vật liệu xây dựng đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập nghiên cứu. Tôi cũng xin trân trọng cám ơn Viện khoa học công nghệ xây dựng đã hỗ trợ tôi trong quá trình thực nghiệm. Cuối cùng tôi bày tỏ cảm ơn các đồng nghiệp, gia đình người thân đã giúp đỡ tôi trong quá trình học tập, nghiên cứu. Hà Nội, ngày tháng năm 2022 Tác giả Nguyễn Đức Hiếu
iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... i LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ii MỤC LỤC ................................................................................................................ iii DANH MỤC HÌNH ẢNH .......................................................................................vii DANH MỤC BẢNG .............................................................................................. xiii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT, KÝ HIỆU.................................................... xiv MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ NỨT BẢN MẶT CẦU BÊ TÔNG CỐT THÉP VÀ VẤN ĐỀ XE QUÁ TẢI Ở VIỆT NAM ............................................................. 5 1.1. Kết cấu mặt cầu bê tông cốt thép dạng bản trên dầm .......................................... 5 1.2. Tình trạng hư hỏng kết cấu bản mặt cầu dạng bản trên dầm do ảnh hưởng của tải trọng xe ......................................................................................................... 10 1.2.1. Cầu Nam Đồng Bà Thìn trên Quốc lộ 1 tỉnh Khánh Hòa........................... 10 1.2.2. Cầu Bà Triên trên Quốc lộ 1 tỉnh Khánh Hòa ............................................ 11 1.2.3. Cầu Bà Bếp trên đường Tỉnh lộ 8 huyện Củ Chi........................................ 12 1.2.4. Nhận xét ...................................................................................................... 12 1.3. Nứt kết cấu bê tông cốt thép do tải trọng ........................................................... 13 1.3.1. Tổng quan về các nguyên nhân gây nứt bê tông ........................................ 13 1.3.2. Nguyên nhân gây nứt kết cấu bê tông cốt thép do vượt tải ........................ 13 1.3.3. Nguyên nhân gây nứt kết cấu bê tông cốt thép do mỏi .............................. 16 1.3.4. Tính toán độ mở rộng vết nứt ..................................................................... 17 1.3.5. Độ mở rộng vết nứt cho phép ..................................................................... 19 1.4. Xe tải trên cầu .................................................................................................... 20 1.4.1. Xe tải thiết kế theo tiêu chuẩn thiết kế của Việt Nam ................................ 21 1.4.2. Xe hợp pháp trong đánh giá tải trọng khai thác cầu ................................... 24 1.4.3. Tình trạng xe quá tải ở Việt Nam ............................................................... 26 1.5. Tình hình nghiên cứu về nứt bản mặt cầu bê tông cốt thép do tải trọng xe trên thế giới và ở Việt Nam....................................................................................... 30 1.5.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới ............................................................. 30 1.5.2. Tình hình nghiên cứu trong nước ............................................................... 33 1.6. Kết luận Chương 1 ............................................................................................. 35 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN BẢN MẶT CẦU BÊ TÔNG CỐT THÉP CHỊU TÁC DỤNG TĨNH CỦA TẢİ TRỌNG XE ......................... 36 2.1. Các mô hình ứng xử của bê tông và cốt thép ..................................................... 36 2.1.1. Các mô hình ứng xử của vật liệu bê tông ................................................... 36
iv 2.1.2. Các mô hình ứng xử của cốt thép ............................................................... 40 2.1.3. Mô phỏng tương tác giữa bê tông và cốt thép ............................................ 41 2.2. Lý thuyết phá huỷ dòn........................................................................................ 44 2.2.1. Lí thuyết phá huỷ dòn bê tông .................................................................... 44 2.2.2. Mô hình phá huỷ dòn bê tông điển hình ..................................................... 45 2.3. Lý thuyết phá hủy và rạn nứt bê tông, ứng dụng trong phân tích cơ chế phá hoại của kết cấu bê tông cốt thép ............................................................................... 47 2.3.1. Ứng xử của bê tông khi bị phá hủy và rạn nứt ........................................... 47 2.3.2. Ứng xử của bê tông theo các mô hình rạn nứt ............................................ 47 2.4. Áp dụng phương pháp số trong cơ học phá hủy ................................................ 58 2.4.1. Phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method-FEM).................. 58 2.4.2. Phương pháp phần tử hữu hạn mở rộng (Extended Finite Method-XFEM)59 2.4.3. Phương pháp phần tử biên (Boundary Element Method-BEM) ................. 60 2.4.4. Phương pháp phần tử hữu hạn kết hợp với phương pháp phần tử biên có hiệu chỉnh (Scale Boundary Finite Element Method-SBFEM) ................................ 61 2.4.5. Phương pháp không lưới............................................................................. 62 2.5. Kết luận Chương 2 ............................................................................................. 63 CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH MỘT SỐ TÍNH CHẤT CƠ HỌC, ĐẶC TÍNH PHÁ HỦY CỦA BÊ TÔNG VÀ ỨNG XỬ CƠ HỌC CỦA BẢN MẶT CẦU BÊ TÔNG CỐT THÉP ......................................... 64 3.1. Thí nghiệm xác định các chỉ tiêu cơ lý của vật liệu ........................................... 64 3.1.1. Công tác bê tông ......................................................................................... 64 3.1.2. Cường độ chịu nén ...................................................................................... 65 3.1.3. Cường độ chịu kéo ...................................................................................... 66 3.1.4. Thí nghiệm xác định các đặc trưng nứt của vật liệu ................................... 67 3.2. Thí nghiệm kết cấu dầm T dưới tác dụng của tải trọng tĩnh - Thí nghiệm 1 ..... 73 3.2.1. Gia công cốt thép và ván khuôn ................................................................. 74 3.2.2. Đúc mẫu và bảo dưỡng ............................................................................... 74 3.2.3. Bố trí thí nghiệm ......................................................................................... 75 3.2.4. Kết quả thí nghiệm ...................................................................................... 76 3.3. Thí nghiệm kết cấu dầm T bị hư hỏng nặng được sửa chữa bằng dán vải sợi FRP dưới tác dụng của tải trọng tĩnh - Thí nghiệm 3 ........................................ 80 3.3.1. Dán vải sợi FRP tăng cường ....................................................................... 80 3.3.2. Bố trí thí nghiệm ......................................................................................... 82 3.3.3. Kết quả thí nghiệm ...................................................................................... 82 3.4. Thí nghiệm bản kê 2 cạnh dưới tác dụng của tải trọng tĩnh - Thí nghiệm 3 ...... 86
v 3.4.1. Gia công cốt thép và ván khuôn ................................................................. 86 3.4.2. Lắp đặt các thiết bị đo ................................................................................. 87 3.4.3. Đúc mẫu và bảo dưỡng ............................................................................... 88 3.4.4. Bố trí thí nghiệm ......................................................................................... 88 3.4.5. Kết quả đo độ võng ..................................................................................... 91 3.4.6. Kết quả đo độ mở rộng vết nứt ................................................................... 94 3.5. Kết luận Chương 3 ............................................................................................. 95 CHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG SỐ ỨNG XỬ CỦA BẢN MẶT CẦU BÊ TÔNG CỐT THÉP ĐỔ TẠI CHỖ DO TẢI TRỌNG TẬP TRUNG 97 4.1. Mô hình phần tử trong tính toán kết cấu bê tông cốt thép ................................. 97 4.1.1. Mô hình phần tử trong ANSYS .................................................................. 97 4.1.2. Mô hình phần tử trong Midas FEA ............................................................. 98 4.2. Đánh giá kết quả mô phỏng số ........................................................................... 99 4.2.1. So sánh kết quả mô phỏng với kết quả giải tích ....................................... 105 4.2.2. So sánh kết quả mô phỏng với kết quả thí nghiệm ứng xử nứt phi tuyến .. 99 4.3. Phân tích kết cấu nhịp dầm T chịu tác dụng tĩnh của xe tải nặng .................... 105 4.3.1. Mô hình phân tích ..................................................................................... 106 4.3.2. Kết quả phân tích kết cấu nhịp chịu tác dụng tĩnh của xe ........................ 110 4.3.3. Kết luận ..................................................................................................... 117 4.4. Xác định sơ đồ dải bản mặt cầu tương đương khi chịu tải trọng của xe tải nặng . 117 4.4.1. Đặt vấn đề ................................................................................................. 117 4.4.2. Sơ đồ dải bản khảo sát .............................................................................. 118 4.4.3. Kết quả phân tích tuyến tính ..................................................................... 120 4.4.4. Kết quả phân tích phi tuyến ...................................................................... 122 4.4.5. Kết luận và kiến nghị ................................................................................ 124 4.5. Ứng xử cơ học của bản mặt cầu BTCT của kết cấu nhịp dầm I BTCT DƯL chịu tác dụng tĩnh của tải trọng xe ........................................................................... 124 4.5.1. Mô hình phân tích ..................................................................................... 124 4.5.2. Kết quả tính toán ....................................................................................... 126 4.6. Nghiên cứu tham số ảnh hưởng đến ứng xử cơ học của bản mặt cầu BTCT dạng bản trên dầm chịu tác dụng tĩnh của tải trọng xe ............................................. 129 4.6.1. Sơ đồ tính bản mặt cầu ............................................................................. 129 4.6.2. Khảo sát tham số vật liệu .......................................................................... 132 4.6.3. Khảo sát tham số chiều dày bản ............................................................... 133 4.6.4. Khảo sát tham số cấu tạo cốt thép ............................................................ 135
vi 4.6.5. Đề xuất giải pháp cấu tạo BMC BTCT dạng bản trên dầm chịu tác dụng của xe tải nặng ......................................................................................................... 137 4.7. Kết luận Chương 4 ........................................................................................... 139 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO................................... 143 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ ................... 1 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................ 2 PHỤ LỤC 1: KẾT QUẢ PHÂN TÍCH TÍNH TOÁN .......................................... 10 PHỤ LỤC 2: CHƯƠNG TRÌNH PHÂN TÍCH NỨT DẢI BẢN MẶT CẦU BÊ TÔNG CỐT THÉP (CODE CHẠY TRÊN ANSYS APDL) ............................... 26
vii DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1. 1: Các loại kết cấu cầu được sử dụng tại Mỹ. ................................................5 Hình 1. 2: Tỷ lệ phần trăm nhịp của cầu nhiều dầm đỡ ở bang Wisconsin, Mỹ.........6 Hình 1. 3: Tỷ lệ phần trăm khoảng cách dầm của cầu nhiều dầm đỡ ở bang Wisconsin, Mỹ. ........................................................................................6 Hình 1. 4: Bố trí chung cấu tạo cốt thép trong bản mặt cầu dạng bản trên dầm. ........8 Hình 1. 5: Cấu tạo cốt thép BMC của kết cấu nhịp dầm I BTCT DƯL. ....................8 Hình 1. 6: Cấu tạo cốt thép BMC của kết nhịp dầm T ngược BTCT DƯL. ...............8 Hình 1. 7: Mặt cắt ngang kết cấu nhịp có bản mặt cầu dạng bản trên dầm. ..................... 9 Hình 1. 8: Hiện trạng vết nứt đáy bản mặt cầu tại cầu Nam Đồng Bà Thìn nằm trên QL1 huyện Cam Lâm, tỉnh Khánh Hòa. ........................................10 Hình 1. 9: Vị trí các vết nứt đáy bản mặt cầu - Cầu Bà Triên Km 1482+474 QL1. .11 Hình 1. 10: Các vết nứt đáy bản mặt cầu - Cầu Bà Triên Km 1482+474 QL1. .......11 Hình 1. 11: Tình trạng nứt ở đáy bản mặt cầu Bà Bếp trước khi sửa chữa. .............12 Hình 1. 12: Các nguyên nhân chính gây nứt bê tông. ...............................................13 Hình 1. 13: Các giai đoạn làm việc của cấu kiện BTCT chịu uốn. ...........................14 Hình 1. 14: Hiệu ứng vòm trong bản mặt cầu bê tông ..............................................15 Hình 1. 15: Vòng đai kéo xung quanh trường nén. ...................................................15 Hình 1. 16: Đường cong phát triển vết nứt phù hợp với đường cong tuổi thọ mỏi. ......17 Hình 1. 17: Sự phân bố ứng suất và biến dạng dọc theo thanh thép sau khi hình thành vết nứt đầu tiên (a) và giữa hai vết nứt (b). .................................18 Hình 1. 18: Xe tải H10, H13, H18. ...........................................................................21 Hình 1. 19: Đoàn xe H10, H13, H18 theo phương ngang cầu. .................................22 Hình 1. 20: Đoàn xe H10, H13, H18 theo phương dọc cầu. .....................................22 Hình 1. 21: Xe tải H30. .............................................................................................22 Hình 1. 22: Đoàn xe H30 theo phương ngang cầu. ...................................................22 Hình 1. 23: Đoàn xe H30 theo phương dọc cầu. .......................................................22 Hình 1. 24: Xe XB80. ...............................................................................................23 Hình 1. 25: Xe X60. ..................................................................................................23 Hình 1. 26: Xe tải thiết kế. ........................................................................................24 Hình 1. 27: Xe 2 trục thiết kế. ...................................................................................24
viii Hình 1. 28: Tải trọng làn thiết kế. .............................................................................24 Hình 1. 29: Xe [3]. ....................................................................................................25 Hình 1. 30: Xe [3-S2]. ...............................................................................................25 Hình 1. 31: Xe [3-3]. .................................................................................................25 Hình 1. 32: Biểu đồ thống kê % xe quá tải qua trạm cân Dầu Giây. ........................27 Hình 1. 33: Phân bố tổng tải trọng xe tải. .................................................................28 Hình 1. 34: Phân bố tổng trọng lượng xe quá tải. .....................................................28 Hình 1. 35: Phân bố tổng tải trọng xe quá tải 2 trục. ................................................28 Hình 1. 36: Phân bố tải trọng trục 1 các xe quá tải 2 trục. ........................................29 Hình 1. 37: Phân bố tải trọng trục 2 xe hai trục quá tải. ...........................................29 Hình 1. 38: Đồ thị xác suất tổng tải trọng các xe quá tải 3 trục. ...............................29 Hình 1. 39: Mật độ phân bố tải trọng các trục xe 3 trục quá tải. ..............................30 Hình 1. 40: Mật độ phân bố tổng tải xe quá tải 4, 5, 6 trục. .....................................30 Hình 1. 41: Mô hình thu nhỏ dưới tác dụng của tải trọng tập trung. ........................31 Hình 1. 42: Phân bố nứt ở đáy bản mặt cầu ..............................................................31 Hình 1. 43: Đo độ mở rộng vết nứt mặt cầu khi chịu tải trọng tĩnh. .........................32 Hình 1. 44: Bố trí thí nghiệm xác định ứng xử bản mặt cầu với tỷ lệ thực dưới tác dụng của tải trọng xe. ............................................................................ 33 Hình 2. 1: Luật ứng xử đàn hồi của bê tông..............................................................36 Hình 2. 2: Trường ứng suất đầu vết nứt theo LEFM. ...............................................37 Hình 2. 3: Tiêu chuẩn phá huỷ được biểu diễn trong các mặt phẳng khác nhau. .....37 Hình 2. 4: Luật ứng xử hỗn hợp đàn hồi - dòn - dẻo. ...............................................39 Hình 2. 5: Quan hệ ứng suất biến dạng khái quát hóa của thép. ...............................40 Hình 2. 6: Mô hình đàn hồi - dẻo có củng cố............................................................41 Hình 2. 7: Biểu diễn sự có mặt của cốt thép trong bê tông. ......................................41 Hình 2. 8: Dạng tương tác giữa cốt thép với bê tông. ...............................................43 Hình 2. 9: Sự phá huỷ của các thớ bê tông khi kéo và khi nén và mô hình hoá theo lý thuyết cơ học phá huỷ dòn. ...............................................................44 Hình 2. 10: Mặt phá huỷ Mazars trong không gian ứng suất (a) và trong không gian biến dạng (b) ..........................................................................................46
ix Hình 2. 11: Ứng xử khi kéo (a), khi nén (b) của bê tông và các biến phá huỷ tương ứng (c) theo Mazars (1984). ..................................................................46 Hình 2. 12: Các giai đoạn ứng xử của bê tông dưới tác động của tải trọng..............47 Hình 2. 13: Vùng phát triển nứt FPZ đầu đường nứt. ...............................................49 Hình 2. 14: Biểu diễn năng lượng nứt toàn phần GF. ................................................51 Hình 2. 15: Biểu diễn vùng phát triển nứt FPZ của mô hình nứt không liên tục. .....51 Hình 2. 16: Biểu diễn dạng song tuyến tính của hàm  = (w)................................52 Hình 2. 17: Biểu diễn vùng phát triển nứt trong các mô hình nứt phân tán..............52 Hình 2. 18: Trạng thái ứng xử của vật liệu tại vùng nứt. ..........................................53 Hình 2. 19: Biểu diễn năng lượng nứt đơn vị GF/h. ..................................................54 Hình 2. 20: Thay đổi cường độ chịu uốn (a) và chịu nén (b) của bê tông theo kích thước mẫu thí nghiệm. ...........................................................................56 Hình 2. 21: Phân bố trường ứng suất trong vùng FPZ xung quanh đường nứt theo Bazant (1984). .......................................................................................56 Hình 2. 22: Luật hiệu ứng kích thước theo Bazant (1984). ......................................57 Hình 2. 23: Mô hình phần tử khối kết cấu nhịp tính theo phương pháp PTHH. ......59 Hình 2. 24: Sự lựa chọn nút làm giàu. ......................................................................60 Hình 2. 25: Minh họa phương pháp phần tử biên. ....................................................61 Hình 2. 26: Minh họa phương pháp phần tử biên có hiệu chỉnh. ............................. 62 Hình 3. 1: Chế tạo bê tông tại trạm trộn. ...................................................................65 Hình 3. 2: Thí nghiệm xác định cường độ chịu nén của bê tông. .............................66 Hình 3. 3: Thí nghiệm xác định cường độ chịu kéo của bê tông. .............................66 Hình 3. 4: Hình dạng và kích thước các mẫu thí nghiệm có vết nứt ban đầu. ..........68 Hình 3. 5: Thí nghiệm uốn 3 điểm mẫu dầm có vết nứt mồi. ...................................69 Hình 3. 6: Đường hồi quy tuyến tính của bê tông. ....................................................71 Hình 3. 7: Đường hồi quy tuyến tính của Bazant & al (1987) nêu trong khuyến cáo của RILEM (1991). ...............................................................................71 Hình 3. 8: Cấu tạo chi tiết cốt thép các mẫu kết cấu. ................................................74 Hình 3. 9: Gia công và lắp dựng cốt thép, ván khuôn. ..............................................74 Hình 3. 10: Kiểm tra độ sụt bê tông trước khi tiến hành đúc các mẫu. ....................74 Hình 3. 11: Sơ đồ bố trí thí nghiệm cho kết cấu dầm T - Thí nghiệm 1. ..................76
x Hình 3. 12: Bố trí thí nghiệm kết cấu dầm T - Thí nghiệm 1. ..................................75 Hình 3. 13: Phát triển độ rộng vết nứt ở đáy bản theo tải trọng................................76 Hình 3. 14: Phân bố nứt tại đáy bản - Thí nghiệm 1. ................................................77 Hình 3. 15: Phân bố nứt và độ rộng vết nứt ở các mặt bên. ......................................78 Hình 3. 16: Sơ đồ bố trí điểm đo võng - Thí nghiệm 1. ............................................78 Hình 3. 17: Kết quả đo võng - Thí nghiệm 1. ...........................................................79 Hình 3. 18: Độ võng tại đáy bản trên đường tim dọc ứng với các cấp tải trọng. ......79 Hình 3. 19: Quá trình sửa chữa kết cấu dầm T đã bị hư hỏng. .................................81 Hình 3. 20: Giải pháp sửa chữa kết cấu dầm T đã bị hư hỏng. .................................81 Hình 3. 21: Bố trí thí nghiệm kết cấu dầm T sau sửa chữa. ......................................82 Hình 3. 22: Dạng phá hoại chọc thủng ở thí nghiệm 2. ............................................83 Hình 3. 23: Phân bố nứt và độ rộng vết nứt ở các mặt bên - Thí nghiệm 2. .............84 Hình 3. 24: Kết quả đo võng kết cấu dầm T sau sửa chữa - Thí nghiệm 2. ..............84 Hình 3. 25: Độ võng tại đáy bản trên đường tim dọc ứng với các cấp tải trọng sau sửa chữa. ................................................................................................85 Hình 3. 26: So sánh độ võng tại đáy bản trên đường tim dọc giữa kết cấu ban đầu và sau khi sửa chữa ứng với cùng các cấp tải trọng. ..................................85 Hình 3. 27: So sánh độ võng tại đáy bản trên đường tim dọc ban đầu và sau khi sửa chữa ứng với tải trọng phá hoại. ............................................................86 Hình 3. 28: Cấu tạo chi tiết cốt thép các mẫu kết cấu - Thí nghiệm 3. .....................87 Hình 3. 29: Gia công và lắp dựng cốt thép, ván khuôn - Thí nghiệm 3. ...................87 Hình 3. 30: Lắp đặt các thiết bị đo biến dạng - Thí nghiệm 3. .................................88 Hình 3. 31: Đúc các mẫu thí nghiệm - Thí nghiệm 3................................................88 Hình 3. 32: Sơ đồ bố trí thí nghiệm - Thí nghiệm 3..................................................89 Hình 3. 33: Sơ đồ đo võng và độ mở rộng vết nứt - Thí nghiệm 3. ..........................90 Hình 3. 34: Tiến hành thí nghiệm bản mặt cầu BTCT - Thí nghiệm 3. ....................90 Hình 3. 35: Kết quả đo độ võng thí nghiệm bản kê 2 cạnh. ......................................92 Hình 3. 36: Các vết nứt lớn tại đáy bản - Thí nghiệm 3. ..........................................93 Hình 3. 37: Phân bố các vết nứt tại đáy bản sau khi kết thúc thí nghiệm 3. .............93 Hình 3. 38: Kết quả đo độ mở rộng vết nứt - Thí nghiệm 3 ..................................... 94 Hình 4. 1: Mô hình phần tử SOLID65 - Mô hình phần tử bê tông. ..........................97
xi Hình 4. 2: Mô hình phần tử LINK180 - Mô hình phần tử thép. ...............................98 Hình 4. 3: Mô hình vết nứt [63]. ...............................................................................99 Hình 4. 4: Mô hình của bê tông [63]. ........................................................................99 Hình 4. 6: Mô hình 3D và kết quả phân tích nứt kết cấu dầm T. ............................101 Hình 4. 7: Mô hình 3D thí nghiệm bản kê 2 cạnh trong ANSYS. ..........................101 Hình 4. 8: So sánh độ võng tại giữa bản (V3) giữa các kết quả mô phỏng số và thí nghiệm. .................................................................................................102 Hình 4. 9: So sánh phân bố nứt giữa kết quả mô phỏng số bằng ANSYS với kết quả thí nghiệm mô hình kết cấu dầm T. .....................................................102 Hình 4. 10: So sánh phân bố nứt giữa kết quả mô phỏng số bằng MIDAS FEA với kết quả thí nghiệm mô hình kết cấu dầm T. ........................................103 Hình 4. 11: So sánh phân bố nứt giữa kết quả mô phỏng số bằng ANSYS với kết quả thí nghiệm mô hình bản kê 2 cạnh. ...............................................104 Hình 4. 5: Kết quả tính toán tấm bản bằng phần mềm ANSYS và MIDAS FEA ..106 Hình 4. 12: Cấu tạo chi tiết cốt thép kết cấu nhịp BTCT. .......................................106 Hình 4. 13: Mô hình 3D kết cấu nhịp chịu tác dụng của xe tải nặng 3 trục. ..........107 Hình 4. 14: Sơ đồ xếp xe bất lợi trên cầu. ...............................................................108 Hình 4. 15: Mô hình chia lưới theo phương pháp phần tử hữu hạn. .......................110 Hình 4. 16: Kết quả tính độ võng kết cấu nhịp ứng với tải trọng trục 50 tấn. ........111 Hình 4. 17: Độ võng kết cấu nhịp theo các cấp tải trọng trục xe. ...........................111 Hình 4. 18: Số gia độ võng kết cấu nhịp theo cấp tải trọng trục xe. .......................112 Hình 4. 19: Hệ số phân bố ngang theo cấp tải trọng trục xe. ..................................113 Hình 4. 20: Phân bố ứng suất đáy bản mặt cầu với tải trọng trục 25 tấn. ...............115 Hình 4. 21: So sánh kết quả phân tích tuyến tính và phi tuyến. ..............................116 Hình 4. 22: Phân bố ứng suất đáy bản mặt cầu với các cấp tải trọng trục. .............117 Hình 4. 23: Sơ đồ xếp xe theo phương ngang cầu và mô hình dải bản tương đương. .119 Hình 4. 24: Mô hình dải bản chịu tác dụng của tải trọng bánh xe. .........................120 Hình 4. 25: Kết quả phân tích tuyến tính dải bản khẩu độ 1,375 m biên ngàm, tải trọng bánh xe của trục 25 tấn. .............................................................120 Hình 4. 26: Phân bố ứng suất pháp ở đáy bản - Sơ đồ 2 - Phân tích tuyến tính .....121 Hình 4. 27: Phân bố ứng suất tại đáy bản - Phân tích tuyến tính. ...........................121
xii Hình 4. 28: So sánh kết quả phân tích tuyến tính và phi tuyến về phân bố ứng suất pháp ở đáy bản - Sơ đồ 2. ....................................................................122 Hình 4. 29: Kết quả phân tích phi tuyến - Sơ đồ 2 - tải trọng bánh xe trục 25 tấn. 123 Hình 4. 30: Quan hệ tải trọng trục và ứng suất trong cốt thép - Phân tích phi tuyến. ..123 Hình 4. 31: Chia lưới phần tử trong bản mặt cầu BTCT dầm I - Loại 3. ...............125 Hình 4. 32: Độ võng lớn nhất của bản mặt cầu theo các cấp tải. ............................126 Hình 4. 33: Số gia độ võng sau mỗi cấp tải của các mẫu bản. ................................127 Hình 4. 34: Độ mở rộng vết nứt ứng với các cấp tải trọng. ....................................127 Hình 4. 35: Ứng suất cốt thép bản mặt cầu dầm I - loại 3 theo các cấp tải trọng trục. 128 Hình 4. 36: Sơ đồ tính bản mặt cầu. ........................................................................130 Hình 4. 37: Các ứng xử cơ học của BMC BTCT theo các cấp cường độ BT .........133 Hình 4. 38: Các ứng xử cơ học của BMC BTCT theo chiều dày bản. ...................134 Hình 4. 39: Kết quả tính toán phân bố nứt của các mẫu đề xuất dưới tác dụng của bánh xe trục 25 tấn. .............................................................................138
xiii DANH MỤC BẢNG Bảng 1. 1: Cấu tạo bản mặt cầu BTCT của kết cấu nhịp dầm I BTCT DƯL nhịp giản đơn. ....................................................................................................7 Bảng 1. 2: Bề rộng vết nứt cho phép theo ACI 318-05. ...........................................20 Bảng 1. 2: Bề rộng vết nứt cho phép theo Tiêu chuẩn kỹ thuật kết cấu bê tông – Phần Thiết kế của Nhật Bản (2007)......................................................... 21 Bảng 3. 1: Các chỉ tiêu cơ lý của đá dăm. .................................................................64 Bảng 3. 2: Thành phần cấp phối của bê tông. ...........................................................65 Bảng 3. 3: Cường độ chịu nén của bê tông. ..............................................................66 Bảng 3. 4: Kết quả thí nghiệm xác định cường độ chịu kéo. ....................................67 Bảng 3. 5: Kích thước mẫu có vết nứt mồi ban đầu..................................................69 Bảng 3. 6: Tải trọng phá hoại mẫu. ...........................................................................69 Bảng 3. 7: Các giá trị Xij của đường hồi quy.............................................................70 Bảng 3. 8: Các giá trị Yij của đường hồi quy. ...........................................................70 Bảng 3. 9: Kết quả tính KC và GC. ............................................................................. 73 Bảng 4. 2: Kết quả thí nghiệm xác định các chỉ tiêu cơ lý của thép. ......................100 Bảng 4. 3: Các chỉ tiêu cơ lý của thép. ....................................................................100 Bảng 4. 4: Các chỉ tiêu cơ lý của bê tông. ...............................................................100 Bảng 4. 1: Kết quả tính tại trong tâm tấm bản. .......................................................105 Bảng 4. 5: Tính chất cơ lý của bê tông. ..................................................................109 Bảng 4. 6: Kết quả tính toán bề rộng vết nứt bản mặt cầu. .....................................111 Bảng 4. 7: Kết quả tính toán ứng suất trong cốt thép bản mặt cầu. ........................113 Bảng 4. 8: Ứng suất pháp theo phương ngang tại đáy bản. ....................................122 Bảng 4. 9: Đánh giá sai số của mô hình dải bản khi phân tích phi tuyến. ..............123 Bảng 4. 10: Thông số cấu tạo bản mặt cầu dầm I BTCT DƯL điển hình. .............125 Bảng 4. 11: Đặc trưng cơ lý của bê tông theo cấp cường độ chịu nén. ..................131 Bảng 4. 12: Đặc trưng cơ lý của cốt thép. ...............................................................131 Bảng 4. 13: Chi tiết cốt thép ngang các mẫu khảo sát cấu tạo cốt thép. .................135 Bảng 4. 14: Tổng hợp kết quả khảo sát ứng xử cơ học của BMC BTCT theo chiều dày bản .........................................................................................135 Bảng 4. 15: Đề xuất cấu tạo BMC BTCT chịu tác dụng xe tải nặng. .....................137
xiv DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT, KÝ HIỆU BMC Bản mặt cầu BT Bê tông BTCT Bê tông cốt thép DƯL Dự ứng lực f’c Cường độ chịu nén của bê tông fr Cường độ chịu kéo khi uốn của bê tông ft Cường độ chịu kéo dọc trục của bê tông GC Độ bền nứt giới hạn Gf Năng lượng nứt ban đầu GF Năng lượng nứt toàn phần KC Hệ số cường độ ứng suất giới hạn KCN Kết cấu nhịp
1 MỞ ĐẦU 1. Đặt vấn đề nghiên cứu Giải pháp bản mặt cầu (BMC) bằng bê tông cốt thép (BTCT) dạng bản trên dầm được sử dụng phổ biến trong các công trình cầu [13]. Đây là bộ phận đóng vai trò quan trọng của kết cấu nhịp. BMC tham gia chịu lực tổng thể chịu lực cùng với dầm đỡ/sườn dầm, chịu lực cục bộ do tải trọng bánh xe, cùng với dầm ngang phân phối hoạt tải theo phương ngang cầu, và che chắn bảo vệ kết cấu bên dưới. Các dạng hư hỏng chủ yếu của bản mặt cầu thường gặp như nứt, vỡ, bong tróc bê tông, mài mòn [24]. Nứt bản mặt cầu dẫn đến nước và các chất ăn mòn thấm nhập vào bê tông, ăn mòn, gỉ cốt thép, gây bong tróc lớp bê tông, nước thấm qua khe nước xuống các dầm đỡ, gây mất mĩ quan công trình. Nếu không được khắc phục kịp thời, các vết nứt mở rộng, lan truyền, cốt thép bị gỉ, ăn mòn làm suy giảm khả năng chịu lực. Cuối cùng dẫn đến suy giảm khả năng chịu lực, giảm khả năng khai thác, suy giảm tuổi thọ, xuống cấp công trình. Do đó, chất lượng của bản mặt cầu ảnh hưởng rất lớn đến công trình cầu. Ở Việt Nam, tình trạng xe quá tải của các phương tiện giao thông tương đối phổ biến. Nguyên nhân của sự quá tải do quá trình công nghiệp hóa diễn ra nhanh chóng mà hạ tầng giao thông chưa đáp ứng kịp, có nhiều cầu cũ chưa được sửa chữa, tăng cường, ý thức chấp hành luật lệ giao thông chưa cao, do nhu cầu vận chuyển một số loại máy móc, thiết bị đặc biệt. Do các yếu tố bất lợi về môi trường nhiệt đới nóng ẩm và điều kiện khai thác quá tải nên hiện tượng hư hỏng của bản mặt cầu bê tông ở Việt Nam xảy ra tương đối phổ biến. Chi phí cho công tác duy tu bảo dưỡng, sửa chữa bản mặt cầu nói riêng và hệ thống cầu đường nói chung khá tốn kém [18]. Về thiết kế kháng nứt mặt cầu BTCT do tải trọng, tiêu chuẩn AASHTO LRFD cũng như TCVN 11823:2017 chỉ quy định về khoảng cách cốt thép, còn 22TCN 272-05 chỉ tính duyệt giới hạn ứng suất trong cốt thép chủ theo trạng thái giới hạn sử dụng (sử dụng tổ hợp tải trọng tiêu chuẩn để tính duyệt). Các tiêu chuẩn thiết kế này không xét tới sự hình thành, lan truyền và mở rộng vết nứt theo lý thuyết cơ học phá hủy và rạn nứt bê tông. Mặt khác, trong công tác thiết kế bản mặt cầu BTCT của một số đơn vị tư vấn còn nhiều tồn tại như chưa xác định sơ đồ dải bản tương đương rõ ràng, các giả thiết đơn giản hóa bài toán trong nhiều chưa hợp chưa sát với thực tế; chưa có sự so sánh, lựa chọn về cấp bê tông, loại, chủng loại và bố trí cho cốt thép chủ một cách cụ thể.
2 Các công trình nghiên cứu ở nước ngoài đã và đang nghiên cứu về ứng xử nứt mặt cầu BTCT, cụ thể, ứng xử nứt của cầu bản BTCT [24]; giảm nứt cầu bản thông qua việc sử dụng vật liệu thay thế [82]; ứng xử nứt mặt cầu BTCT do nhiệt độ môi trường [101]. Các công trình nghiên cứu này chưa giải quyết được cơ chế nứt, sự phân bố và lan truyền nứt trong mặt cầu BTCT do xe tải nặng. Các công trình nghiên cứu ở trong nước cũng đã và đang nghiên cứu về ứng xử nứt bản BTCT do tải trọng còn rất hạn chế. Nghiên cứu của Trịnh Văn Toàn (2010) [12] nhằm phân tích, đánh giá hư hỏng của bản mặt cầu và các bộ phận kết cấu nhịp do xe tải nặng dựa trên lý thuyết mỏi. Tác giả đã đánh giá được tổn thương trong kết cấu do mỏi sau mỗi chu trình ứng suất của xe tải nặng gấp nhiều lần của xe tải nằm trong giới hạn cho phép. Tuy nhiên, nghiên cứu chưa đánh giá cụ thể được sự hình thành và phát triển vết nứt dưới tác dụng của xe tải nặng như tải trọng gây nứt, vùng phân bố nứt. Xe quá tải tác dụng lên kết cấu nhịp sinh ra ứng suất lớn trong bản mặt cầu BTCT làm BT bị nứt. Khi bê tông bị nứt, ở vùng chịu kéo, lực kéo trong bê tông truyền cho cốt thép chịu, ứng suất trong cốt thép tăng lên, độ cứng của BMC giảm làm độ võng tăng lên, gây thấm nước và mất mĩ quan [63, 73, 96]. Rõ ràng là tình trạng này sẽ càng nghiêm trọng hơn nếu như để xảy ra tình trạng xe quá tải không được kiểm soát hiệu quả. Bản mặt cầu đã bị nứt, lại tiếp tục phải chịu tải ở trạng thái không toàn vẹn, các vết nứt tiếp tục phát triển, lan truyền và mở rộng, dẫn đến tình trạng hư hỏng nặng hơn, giảm tuổi thọ, làm tổn thất chất lượng và khả năng khai thác công trình. Cần có các nghiên cứu chuyên sâu về ứng xử cơ học của bản mặt cầu BTCT do xe tải nặng. Việc làm rõ hơn cơ chế xuất hiện, lan truyền và mở rộng vết nứt trong bản BTCT mặt cầu do tải trọng nói chung và xe quá tải sẽ có cơ sở để hoàn thiện thêm các giải pháp kết cấu cũng như về mặt kiểm soát tải trọng xe trong thực tiễn khai thác cầu. Do đó, việc chọn đề tài nghiên cứu “ Nghiên cứu ứng xử cơ học kết cấu mặt cầu bê tông cốt thép dạng bản trên dầm chịu tác dụng tĩnh của tải trọng xe ” là rất cần thiết, có ý nghĩa khoa học và thực tiễn. 2. Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của đề tài là bản mặt cầu bê tông cốt thép dạng bản trên dầm của kết cấu nhịp giản đơn. Trong đó, bản mặt cầu BTCT được đổ cùng sườn dầm hoặc đổ tại chỗ liên hợp với dầm chủ.
3 3. Mục tiêu nghiên cứu Xác định cơ chế xuất hiện, lan truyền, và mở rộng vết nứt cùng với ứng suất, độ võng của kết cấu mặt cầu bê tông cốt thép dạng bản trên dầm đổ tại chỗ chịu tác dụng tĩnh của tải trọng xe. 4. Phương pháp nghiên cứu Phương pháp điều tra: để thu thập, khảo sát, đánh giá thực trạng vết nứt bản mặt cầu bê tông cốt thép đổ tại chỗ. Phương pháp phân tích và tổng hợp lý thuyết: nghiên cứu các tài liệu liên quan nhằm lựa chọn mô hình phù hợp cho mô phỏng nứt trong bản mặt cầu bê tông cốt thép đổ tại chỗ do nguyên nhân xe ôtô quá tải. Phương pháp mô hình hoá: mô phỏng số nứt trong bản mặt cầu bê tông cốt thép đổ tại chỗ do nguyên nhân xe ôtô quá tải theo lý thuyết cơ học phá hủy. Phương pháp thực nghiệm: Xây dựng mô hình, bố trí và tiến hành thí nghiệm xác định ứng xử cơ học của kết cấu nhịp dầm T mới, kết cấu nhịp dầm T đã hư hỏng được gia cố bằng tấm FRP và bản BTCT kê trên 2 cạnh dưới tác dụng của tải trọng tĩnh. 5. Phạm vi nghiên cứu Không xét tới tác động qua lại giữa tải trọng và các yếu tố gây nứt như co ngót, ăn mòn, nhiệt độ, mỏi ...đến nứt bản mặt cầu. Không xét tới các hư hỏng ban đầu trong bản mặt cầu. Tải trọng sử dụng trong mô phỏng số là xe tải nặng đặt tĩnh lên cầu có xét tới hệ số xung kích. Bê tông và cốt thép được giả thiết là dính bám hoàn toàn. 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án Xây dựng được bộ dữ liệu các đặc trưng nứt của bê tông. Xây dựng được mô hình tính toán có kiểm chứng bằng thực nghiệm để phân tích ứng xử nứt bản mặt cầu. Đã xây dựng được mô hình thí nghiệm phù hợp để phân tích ứng xử nứt của bản mặt cầu tương tự với thực tế từ đó thực hiện được các thí nghiệm phân tích ứng xử nứt của BMC. Đã kiến nghị mô hình dải bản tương đương khi tính theo kết cấu dạng bản dựa trên kết quả mô phỏng số.
4 Phân tích được hiệu quả gia cố tấm FRP đến hiệu quả chống nứt của bản bằng thực nghiệm. Đánh giá được giải pháp cấu tạo bản mặt cầu BTCT đối với kết cấu nhịp dầm I đang được sử dụng phổ biến ở Việt Nam hiện nay khi chịu tải trọng xe quá tải. Khảo sát được các tham số cấu tạo của bản mặt cầu BTCT dạng bản trên dầm và đề xuất giải pháp thiết kế chống nứt.