Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: 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: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:27

Thêm vào BST

Báo xấu

13
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích 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.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: 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 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 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ Ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông Chuyên ngành: Xây dựng cầu hầm Mã số: 9580205 Hà Nội - 2022
Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Giao thông vận tải Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Trần Thế Truyền Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án sẽ được bảo vệ trước hội đồng chấm luận án cấp Trường theo Quyết định Số /QĐ-ĐHGTVT ngày tháng năm 2022 họp tại: Trường Đại học Giao thông vận tải vào hồi ngày tháng năm 2022. Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: - Thư viện Trường Đại học Giao thông vận tải; - Thư viện Quốc Gia
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 [6]. 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 [10]. 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 [9]. 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. 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 [10]; giảm nứt cầu bản thông qua việc sử dụng vật liệu thay thế [17]; ứng xử nứt mặt cầu BTCT do nhiệt độ môi trường [20]. 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) [5] 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
2 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. 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. 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.
3 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. 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. Kiến nghị mô hình dải bản tương đương khi tính theo kết cấu dạng bản dựa trên kết quả mô phỏng số. 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. CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ NỨT BẢN MẶT CẦU BÊ TÔNG CỐT THÉP VÀ VẤN ĐỀ XE QUÁ TẢI Ở VIỆT NAM 1.1. Kết cấu mặt cầu bê tông cốt thép dạng bản trên dầm Bản mặt cầu là bộ phận tham gia chịu lực tổng thể, chịu lực cục bộ do tải trọng trục, che chắn bảo vệ kết cấu bên dưới và góp phần phân phối hoạt tải theo phương ngang cầu. Kết cấu mặt cầu bê tông cốt thép dạng bản trên dầm được sử dụng phổ biến trong kết cấu nhịp giản đơn dầm I, dầm T, dầm super T, dầm chữ . Cấu tạo bản mặt cầu phụ thuộc vào nhiều yếu tố như loại dầm đỡ, khoảng cách dầm, cường độ vật liệu, tải trọng thiết kế, tiêu chuẩn thiết kế, và các yếu tố khác. Bản mặt cầu làm việc theo sơ đồ bản hẫng, bản kê trên 2 cạnh hoặc bản kê trên 4 cạnh [2]. Kết cấu Bản BMC BTCT dạng bản trên dầm thường tính theo sơ đồ bản kê 2 cạnh với phương làm việc chính là phương ngang cầu. Đối với các cầu được thiết kế theo tiêu chuẩn 22TCN 272-05 và TCVN 11823:2017 từ năm 2005 trở lại đây, BMC BTCT nhịp giản đơn có chiều dày tối thiểu 175 mm. Bản mặt cầu có chiều dày phổ biến 175 mm  220 mm phụ thuộc vào khẩu độ tính toán của bản, tải trọng thiết kế và loại dầm đỡ. Trong một số công trình cầu có chiều dày bản mặt cầu thay đổi để tạo độ dốc ngang cầu thì chiều dày bản mặt cầu có thể lên tới 300 mm tại vị trí dày nhất. Đối với các cầu được thiết kế theo tiêu chuẩn 22TCN 18-79 không có quy định chiều dày tối thiểu bản mặt cầu, nhiều cầu có chiều dày BMC nhỏ hơn 175 mm
4 đã được xây dựng. Cốt thép chịu lực theo phương ngang có đường kính 12 mm  18 mm được bố trí làm 2 lớp trên và dưới. Khi khoảng cách cách dầm/sườn dầm đỡ tăng lên làm tăng khẩu độ tính toán của BMC cần tăng cốt thép chịu lực. Cốt thép theo phương dọc có đường kính 10 mm  12 mm được bố trí làm 2 lớp và thường được bố trí theo cấu tạo. Về vật liệu, giới hạn chảy của cốt thép 240 MPa  420 MPa, cường độ bê tông (BT) 20 MPa  35 MPa và có xu hướng tăng lên. Bản mặt cầu BTCT liên hợp với dầm đỡ thông qua cốt đai hoặc hệ neo [8]. Ở Việt Nam, tình trạng quá tải của các phương tiện giao thông tương đối phổ biến [1, 5]. Xe quá tải trọng là phương tiện giao thông cơ giới đường bộ có tổng trọng lượng của xe hoặc có tải trọng trục xe vượt quá tải trọng khai thác của đường bộ. 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, ý thức chấp hành luật lệ giao thông chưa cao, hoặc do nhu cầu vận chuyển một số loại máy móc, thiết bị đặc biệt. Hình 1. 1: Mật độ phân bố tải trọng các trục xe 3 trục quá tải [1]. Do các yếu tố bất lợi về môi trường và điều kiện khai thác nên hiện tượng nứt của bản mặt cầu bê tông ở Việt Nam do xe quá tải vẫn xảy ra. Công tác sửa chữa cầu trong đó có bản mặt cầu diễn ra khá thường xuyên và trong nhiều trường hợp phải thay thế bằng bản mặt cầu mới. Hình 1. 2: Các vết nứt đáy bản mặt cầu - Cầu Bà Triên Km 1482+474 QL1.
5 1.2. Nứt kết cấu bê tông cốt thép do tải trọng 1.2.1. Nguyên nhân gây nứt kết cấu bê tông cốt thép do vượt tải Do khả năng chịu kéo của bê tông là rất nhỏ nên, ở những khu vực có ứng suất kéo lớn, bê tông bị nứt và lực kéo trong các kết cấu bê tông cốt thép sẽ do cốt thép chịu. Khi bản mặt cầu BTCT chịu tải trọng xe lớn hơn so với khả năng chịu lực, lúc này các vết nứt đầu tiên xuất hiện tại vị trí có ứng suất lớn hoặc những vị trí chịu lực xung kích lớn, tập trung ứng suất. Đới với cấu kiện BTCT nói chung, dưới tác dụng của tải trọng vết nứt hình thành và phát triển theo 3 giai đoạn: − Giai đoạn 1: Vết nứt mới hình thành mắt thường chưa nhìn thấy được. Trong đoạn cấu kiện không có sự thay đổi nội lực và tiết diện, vết nứt đầu tiên được hình thành tại vị trí chất lượng bê tông là kém nhất. Khi này bề rộng vết nứt còn nhỏ. − Giai đoạn 2: Vết nứt mở rộng mắt thường nhìn thấy được. − Giai đoạn 3: Vết nứt mở rộng tới trị số tới hạn, lức này các vết nứt có xu hướng phân bố đều trên các đoạn cấu kiện. Khi chịu tải trọng tập trung của bánh xe, bản mặt cầu BTCT dạng bản trên dầm có hiệu ứng vòm như Hình 1. 4. Màng nén trong các tấm bê tông cốt thép xảy ra do sự khác biệt lớn giữa cường độ kéo và nén của bê tông. Sự nứt vỡ của bê tông gây ra sự dịch chuyển của trục trung hòa, đi kèm với sự giãn nở trong mặt phẳng của tấm tại các ranh giới của nó. Nếu xu hướng mở rộng bị kiềm chế hai chiều, sự phát triển hiệu ứng vòm sẽ tăng cường khả năng chịu lực của bản mặt cầu. Trạng thái cân bằng mặt cắt được duy trì bởi một vòng đai kéo xung quanh trường nén như thể hiện trong Hình 1. 5. Hình 1. 4: Hiệu ứng vòm trong bản mặt cầu bê tông [14]. Hình 1. 5: Vòng đai kéo xung quanh trường nén [14]. 1.2.2. Tính toán độ mở rộng vết nứt Vết nứt đầu tiên trong cấu kiện bê tông cốt thép sẽ xuất hiện khi ứng suất kéo lớn nhất đạt đến cường độ chịu kéo. Tại nơi có vết nứt, ứng suất trong
6 cốt thép tăng lên rất nhiều Sự thay đổi ứng suất này tỷ lệ thuận với cường độ chịu kéo của bê tông và tỷ lệ nghịch với hàm lượng cốt thép. Bề rộng của mỗi vết nứt được xác định phụ thuộc chủ yếu vào độ chênh lệch biến dạng theo phương dọc giữa cốt thép và bê tông xung quanh. Gergely và Lutz (1968) đã đưa ra công thức tính bề rộng vết nứt tối đa trong vùng chịu kéo của cấu kiện chịu uốn như sau [15]: w max = 2, 2s 3 d c A (1. 1) Trong đó: wmax là bề rộng vết nứt lớn nhất,  = (h-c)/(d-c) là hệ số xét đến sự biến thiên của biến dạng theo chiều cao mặt cắt. h là chiều cao mặt cắt, d là chiều cao có hiệu và c là chiều cao vùng bê tông chịu nén. Thông thường,  = 1,2, dc là chiều dày lớp bê tông bảo vệ tính đến trọng tâm của lớp cốt thép thứ nhất, s là biến dạng lớn nhất trong cốt thép do tải trọng sử dụng sinh ra, thường được lấy bằng 0,6y với kết cấu thông thường nếu không tính toán cụ thể, A c,eff A= là diện tích vùng bê tông chịu kéo chia cho số lượng thanh cốt  bc thép trong vùng chịu kéo. Ac,eff , được xác định là vùng diện tích bê tông có trọng tâm trùng với trọng tâm của các thanh cốt thép chịu kéo và c là số lượng thanh cốt thép chịu kéo quy đổi. 1.2.3. Độ mở rộng vết nứt cho phép Vết nứt gây ra các tác hại đối với cấu kiện BTCT nên cần phải hạn chế. Để hạn chế bề rộng vết nứt trong cấu kiện BTCT thường, ta bố trí cốt théo dọc chịu kéo vào vùng bê tông chịu kéo lớn nhất. Chiều rộng vết nứt phụ thuộc vào ứng suất kéo trong cốt thép và cách bố trí cốt thép trong vùng bê tông chịu kéo. Bề rộng vết nứt cho phép lớn nhất đối với một cấu kiện phụ thuộc vào chức năng của cấu kiện đó và điều kiện môi trường tiếp xúc xung quanh. Bảng 1. 1 đưa ra các giá trị bề rộng vết nứt cho phép đối với kết cấu bê tông trong các điều kiện môi trường khác nhau được quy định trong Tiêu chuẩn ACI 318-05 [12]. Trong trường hợp kết quả tính toán không thỏa mãn cần phải sử dụng nhiều thanh cốt thép đường kính nhỏ hoặc tăng diện tích cốt thép cần thiết. Bảng 1. 1: Bề rộng vết nứt cho phép theo ACI 318-05. Điều kiện môi trường Bề rộng vết nứt cho phép (mm) Khô hoặc có màng bảo vệ 0,41 Ẩm, khí hoặc đất ẩm 0,30 Các hóa chất làm tan bãng 0,18 Nuớc biển hoặc bụi nuớc biển; làm uớt và làm khô 0,15 Kết cấu chắn nuớc (trừ các ống không áp) 0,10
7 1.3. Tình hình nghiên cứu về nứt bản mặt cầu bê tông cốt thép do tải trọng xe trên thế giới và ở Việt Nam 1.3.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới Năm 1996, Michael F Petrou và các cộng sự đã tiến hành nghiên cứu thực nghiệm tiến hành trên mô hình cầu dầm thép liên hợp có tỷ lệ 1/6.6 [18]. Kết quả cho biết kết quả tương quan giữa các mô hình bản mặt cầu đi từ sơ đồ phức tạp nhất bám sát thực tế cho tới sơ đồ được tối giản hóa là sơ đồ dải bản tương đương để cho việc tính toán được đơn giản. Hạn chế của nghiên cứu là sử dụng mô hình thu nhỏ có độ chính xác không cao và các tải trọng tác dụng chưa phản ánh đúng hoạt tải xe tác dụng lên cầu. Năm 2014, Baah đã đưa ra các kết quả nghiên cứu về «ứng xử nứt của kết cấu cầu bản BTCT» trong luận án tiến sĩ của mình [10]. Luận án đã trình bày chi tiết của một cuộc điều tra thực nghiệm về ứng xử nứt của kết cấu bê tông. Năm 2016, Fareed Elgabbas và các cộng sự đã tiến hành một dự án nghiên cứu điều tra ứng xử của các bản mặt cầu bê tông hạn chế cạnh được gia cố bằng các thanh BFRP (basalt-fiber-reinforced-polymer) [13]. 1.3.2. Tình hình nghiên cứu trong nước Ở Việt Nam, các kết quả nghiên cứu về nứt bê tông cốt thép nói chung còn tương đối hạn chế. Các nghiên cứu tiêu biểu về nứt bê tông nói chung, như sau: Trịnh Văn Toàn (2010) đã trình bày trong luận án tiến sĩ của mình về kết quả 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 [5]. Nguyễn Lan (2014) đã nghiên cứu đánh giá và xác định tải trọng cho phép qua cầu trên cơ sở kết quả kiểm định cầu [1]. Các kết quả nghiên cứu khác liên quan đến đề tài như Trần Đức Nhiệm (2004) [3], Tống Trần Tùng (2005, 2014) [8, 9], Doãn Minh Tâm (2005) [4]. Các nghiên cứu đã trình bày các vấn đề về tình trạng xe quá tải, xác định tải trọng cắm biển, các hư hỏng cho hệ thống cầu đường và thiệt hại kinh tế do xe quá tải, quá khổ gây ra. 1.4. Kết luận Chương 1 Bản mặt cầu là nơi đầu tiên và trực tiếp chịu tác động của tải trọng xe khai thác qua áp lực bánh xe, bản mặt cầu bê tông cốt thép, vì thế, cũng là bộ phận kết cấu cầu dễ bị và thường xuất hiện các dạng hư hỏng khác nhau, mà phổ biến nhất là nứt. Khi 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. Tình trạng này sẽ càng nghiêm trọng hơn nếu như để xảy ra tình trạng xe quá tải không được kiểm soát hiệu quả. Các nghiên cứu về vết nứt cho công trình cầu trên thế giới và ở Việt Nam chủ yếu cho dầm cầu. Các nghiên cứu về nứt bản mặt cầu bê tông không nhiều và tập trung chủ yếu vào nguyên nhân do co ngót, ăn mòn. Nứt bản mặt cầu do xe quá tải chỉ được xem xét như là một nguyên nhân gây nứt ban đầu. Chưa có
8 những nghiên cứu chuyên sâu về cơ chế hình thành, sự lan truyền của các vết nứt do xe quá tải một cách đầy đủ. Cần 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. CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN BẢN MẶT CẦU BÊ TÔNG CỐT THÉP CHỊU TÁC DỤNG TĨNH CỦA TẢİ TRỌNG XE 2.1. Các mô hình ứng xử của bê tông và cốt thép Bê tông và cốt thép là hai vật liệu cơ bản cấu thành các dạng kết cấu chủ yếu hiện nay là bê tông cốt thép và bê tông cốt thép dự ứng lực. Để mô phỏng số các bộ phận kết cấu dạng này đòi hỏi phải giải quyết 3 vấn đề mô hình hoá: Mô hình vật liệu của bê tông, mô hình ứng xử của thép và mô hình tương tác giữa bê tông và cốt thép [21, 23]. 2.1.1.1. Ứng xử của bê tông Luật ứng xử hỗn hợp đã và đang được nhiều tác giá phát triển trong những năm gần đây với mục đích xét hết tất cả các thuộc tính của vật liệu bê tông gồm tính bất đối xứng, tính dòn, tính phi đàn hồi, tính cũng cố nén và tính bất đẳng hướng, theo đó, tính dòn và tính dẻo được cùng xem xét để có mô hình sát nhất với kết quả quan sát thực nghiệm, hai phần kết hợp gồm: kết hợp trạng thái đàn hồi-dòn và kết hợp động học dòn-dẻo. Hình 2. 1: Luật ứng xử hỗn hợp đàn hồi - dòn - dẻo. 2.1.2. Các mô hình ứng xử của cốt thép Ứng xử của các cốt thép thường lấy theo luật đàn dẻo tuyệt đối. Khi cần độ chính xác cao hơn có thể dùng luật đàn dẻo có củng cố đẳng hướng hoặc sử dụng luật đàn dẻo có củng cố động. Hình 2. 2: Mô hình đàn hồi - dẻo có củng cố.
9 2.1.3. Mô phỏng tương tác giữa bê tông và cốt thép 2.1.3.1. Biểu diễn hình học sự có mặt của các cốt thép Các phần tử cốt thép trong kết cấu bê tông cốt thép có thể được biểu diễn không liên tục hoặc liên tục tuỳ theo từng tiếp cận tính toán: Nếu biểu diễn không liên tục thì các cốt thép được mô phỏng bằng các phần tử thanh liên kết với môi trường liên tục là bê tông bằng các liên kết đặc biệt. Nếu biểu diễn liên tục thì một nhóm thanh cốt thép có góc định hướng  biết trước được xem như là một dải thép có chiều dày phụ thuộc vào hàm lượng thép theo hướng này, hai khả năng ứng xử đơn hướng hoặc nhị hướng của dải thép này có thể được tính đến. Nếu ứng xử đơn hướng, cốt thép là một dải cứng nằm dọc theo hướng của các cốt thép và phân bố đều trên toàn phần tử, hai dải theo hai phương khác nhau sẽ tạo nên một lưới cốt thép có chiều dày phụ thuộc vào hàm lượng thép theo mỗi hướng. Nếu ứng xử là nhị hướng, lưới cốt thép trên được biểu diễn bằng một lớp cốt thép ứng xử nhị hướng có mô đun đàn hồi Ea và Eb khác nhau theo mỗi hướng như là đối với vật liệu trực hướng [21, 23].. (a) Biểu diễn không liên tục. (b) Biểu diễn liên tục đồng nhất hoá. Hình 2. 3: Biểu diễn sự có mặt của cốt thép trong bê tông. Đối với các kết cấu bê tông làm việc chủ yếu chịu uốn như các bộ phận kết cấu các công trình giao thông thì mô phỏng sự có mặt của cốt thép trong bê tông dạng không liên tục như trường hợp thứ nhất là sự lựa chọn tối ưu, còn biểu diễn đồng nhất hoá như trường hợp liên tục là không cần thiết và làm phức tạp tính toán, nó chỉ phù hợp với các kết cấu có sự làm việc phức tạp hơn như lò phản ứng hạt nhân… 2.1.3.2. Biểu diễn liên kết bê tông - cốt thép Liên kết bê tông- thép đảm bảo sự tồn tại của các kết cấu bê tông cốt thép, cho phép truyền các hiệu ứng của tải trọng giữa chúng khi chịu tải. Sự tương tác giữa các thành phần ảnh hưởng đáng kể đến ứng xử thực của mẫu và ứng xử mô phỏng của mẫu. Việc mô phỏng lại tương tác giống với thực tế là khó do có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến mối quan hệ giữa các thành phần. Thực tế, giữa bê tông và cốt thép luôn có sự trượt tương đối song trong phạm vi luận án này, để đơn giản hoá tính toán, tác giả sử dụng chủ yếu giả thiết liên kết tuyệt đối giữa bê tông và cốt thép, bỏ qua các hiệu ứng tách rời của hai vật liệu này trong quá trình tính toán để mô phỏng các ví dụ các kết cấu bê tông cốt thép chịu tải trọng. Có 3 dạng mô hình tương tác giữa bê tông và
10 cốt thép được sử dụng rộng rãi trong các phần mềm chuyên dụng Abaqus, Ansys, Midas FEA được sử dụng trong luận án này là mô hình phân tán, mô hình rời rạc và mô hình nhồi [19]. Hình 2. 4: Dạng tương tác giữa cốt thép với bê tông [16]. 2.2. 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 2.2.1. Ứng xử của bê tông khi bị phá hủy và rạn nứt Để phân tích cơ chế phá hủy và rạn nứt trong bê tông cần chấp nhận một số giả thiết như sau: − Bê tông được giả thiết là nguyên vẹn khi đang làm việc ở giai đoạn đàn hồi. − Môi trường bê tông được giả thiết là đồng nhất cho đến khi bắt đầu hình thành các đường nứt lớn. − Sự phá hủy bê tông bắt đấu bằng sự xuất hiện các đường nứt nhỏ phân tán trong các vùng chịu lực bất lợi. Khi tải trọng tiếp tục tăng, các đường nứt nhỏ này có xu hướng tập trung lại để tạo ra các đường nứt lớn có thể quan sát được. Hình 2. 5: Các giai đoạn ứng xử của bê tông dưới tác động của tải trọng [7]. Hình 2. 5 cho thấy phạm vi áp dụng của lý thuyết cơ học phá hủy để phân tích ứng xử của bê tông nằm trong đoạn ABC, phạm vi áp dụng của lý thuyết cơ học rạn nứt nằm trong đoạn BCD. Như vậy, đoạn chung BC có thể sử dụng đồng thời hai cơ sở lý thuyết này để mô tả ứng xử của bê tông. Xu hướng của
11 các nghiên cứu hiện nay là dùng lý thuyết kết hợp nhằm phân tích một cách toàn vẹn ứng xử của bê tông từ ban đầu đến khi bị phá hủy hoàn toàn. 2.2.2. Ứng xử của bê tông theo mô hình rạn nứt Mô hình đường nứt phân tán (Mô hình nứt liên tục yếu) Hình 2. 6: Biểu diễn vùng phát triển nứt trong các mô hình nứt phân tán. Tính không liên tục được xét đến là của chuyển vị trong các mô hình này. Điển hình cho nhóm mô hình này là mô hình dải nứt CBM (Crack Band Model) được đề nghị bởi Bazant & al (1983) khi giả thiết sự tồn tại của một dải nứt không liên tục song song và có chiều dày h  3dmax (dmax là đường kính lớn nhất của các hạt cốt liệu) [33]. Bazant và Oh đề nghị mô hình dải nứt CBM dựa trên giả thiết tồn tại một dải vết nứt có một bề rộng wt nào đó xung quanh đầu chóp vết nứt ban đầu. Dải nứt xuất hiện từ rất nhiều những vết nứt rất nhỏ. Giả thiết này hoàn toàn phù hợp trên cơ sở cấu tạo của bê tông là một vật liệu không đồng nhất. Các tác giả cho rằng có một sự phân bố đều của biến dạng  trên dải băng nứt. f 2.3. Áp dụng phương pháp số trong cơ học phá hủy Ngày nay, rất nhiều phương pháp số đã được phát triển để giải quyết bài toán cơ học phá hủy như phương pháp phần tử hữu hạn, phương pháp phần tử biên, phương pháp phần tử hữu hạn mở rộng, phương pháp phần tử hữu hạn kết hợp với phương pháp phần tử biên có hiệu chỉnh, phương pháp không lưới, … 2.4. Kết luận Chương 2 Chương 2 đã trình bày phương pháp số trong cơ học phá hủy áp dụng vào kết cấu BTCT nói chung, các mô hình ứng xử của bê tông và cốt thép; xác định được mô hình phù hợp cho phân tích tính toán phi tuyến nứt kết cấu BTCT. Trong đề tài này, tác giả lựa chọn mô hình đường nứt phân tán (Mô hình nứt liên tục yếu) cho phân tích nứt bản mặt cầu BTCT. Đối với bê tông, ngoài các chỉ tiêu cơ lý thông thường như trong mô hình phân tích tuyến tính, cần xác định các đặc trưng phá hủy của bê tông để đáp ứng các thông số đầu vào cho mô hình phân tích phi tuyến nứt bản.
12 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 3.1. Thí nghiệm xác định các chỉ tiêu cơ lý của vật liệu Mục đích thí nghiệm: Thí nghiệm vật liệu để xác định các chỉ tiêu cơ lý cho một cấp bê tông được sử dụng trong xây dựng cầu, bổ sung bộ số liệu về các chỉ tiêu cơ lý thông thường và chỉ tiêu cơ lý nứt của bê tông. Xác định được các thông số đầu vào của vật liệu bê tông trong mô phỏng số. Thí nghiệm xác định các đặc trưng nứt Các đặc trưng nứt của bê tông cần xác định bao gồm cường độ ứng suất giới hạn KC, năng lượng nứt giới hạn GC, năng lượng nứt toàn phần GF, năng lượng nứt không toàn phần Gf [2]. Các mẫu thí nghiệm hình trụ kích thước 15 x 30 (cm) được dùng để xác định cường độ chịu nén của bê tông f’c. Các mẫu thí nghiệm dạng dầm nguyên kích thước 15 x 15 x 60 (cm) chịu uốn được dùng để xác định cường độ chịu kéo cuả bê tông f’t. Các mẫu thí nghiệm dạng dầm mảnh có nứt mồi được dùng để xác định các tham số nứt của bê tông. Tổng số mẫu dầm thí nghiệm là 4 x 4 x 1 =16 mẫu Hình 3. 1: Thí nghiệm uốn 3 điểm mẫu dầm có vết nứt mồi. Các giá trị năng lượng nứt toàn phần GF có thể được suy ra từ Gf bằng các công thức xấp xỉ GF = 2,5Gf [11]. Kết quả tính toán: Gf = 148,75J/m2 và GF = 371,87J/m2 3.2. Thí nghiệm kết cấu dầm T dưới tác dụng của tải trọng tĩnh - Thí nghiệm 1 Mục đích thí nghiệm: Thí nghiệm mô hình bản mặt cầu BTCT với kích thước lớn tương tự với thực tế để xác định các ứng xử cơ học của bản mặt cầu BTCT dạng bản liên hợp với dầm dưới tác dụng của tải trọng tập trung mô phỏng theo tải trọng bánh xe. Làm cơ sở để kiểm tra độ chính xác của kết quả mô phỏng số. 3.2.1. Bố trí thí nghiệm 1
13 Hình 3. 2: Bố trí thí nghiệm kết cấu dầm T - Thí nghiệm 1. Quá trình thí nghiệm đối với kết cấu dầm T: Gia tải từ 0 theo từng cấp tải 5 Tấn cho đến khi mẫu bị phá hoại. 3.2.2. Kết quả thí nghiệm 1 3.2.2.1. Kết quả đo độ mở rộng vết nứt và phân bố nứt Hình 3. 3: Phát triển độ rộng vết nứt ở đáy bản theo tải trọng Hình 3. 4: Phân bố nứt tại đáy bản - Thí nghiệm 1. Nứt cạnh bên - Hướng nhìn 1
14 Nứt cạnh bên - Hướng nhìn 2 Nứt cạnh bên - Hướng nhìn 3 Nứt cạnh bên - Hướng nhìn 4 Hình 3. 5: Phân bố nứt và độ rộng vết nứt ở các mặt bên. 3.2.2.2. Kết quả đo võng Sơ đồ bố trí các điểm đo võng như trong Hình 3. 6: V5 575 1250 V4 VÒ TRÍ ÑAËT TAÛI 575 V6 V3 V7 325 575 1250 V2 575 V1 Hình 3. 6: Sơ đồ bố trí điểm đo võng và kết quả đo - Thí nghiệm 1. 3.3. Thí nghiệm kết cấu dầm T bị hư hỏng nặng được sửa chữa bằng dán tấm vải sợi FRP dưới tác dụng của tải trọng tĩnh - Thí nghiệm 2 Mục đích thí nghiệm: Xác định các ứng xử cơ học của bản mặt cầu BTCT dạng bản liên hợp với dầm đã được gia cố sau khi đã hư hỏng nặng dưới tác dụng của tải trọng tập trung mô phỏng theo tải trọng bánh xe. Phân tích và đánh giá được hiệu quả của giải pháp gia cường đối với BMC bằng dán tấm vải sợi FRP.
15 3.3.1. Bố trí thí nghiệm Hình 3. 8: Phương án gia cố tấm FRP và bố trí thí nghiệm bản mặt cầu BTCT - Thí nghiệm 3 3.3.2. Kết quả thí nghiệm Hình 3. 23: Phân bố nứt và độ rộng vết nứt ở các mặt bên - Thí nghiệm 2. 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. 3.4. Thí nghiệm bản kê 2 cạnh dưới tác dụng của tải trọng tĩnh - Thí nghiệm 3 Mục đích thí nghiệm: Thí nghiệm mô hình bản mặt cầu BTCT với kích thước lớn tương tự với thực tế để xác định các ứng xử cơ học của bản mặt cầu
16 BTCT dạng bản không liên hợp với dầm hay bản xoay tự do với dầm dưới tác dụng của tải trọng tập trung mô phỏng theo tải trọng bánh xe. 3.4.1. Bố trí thí nghiệm Hình 3. 8: Tiến hành thí nghiệm bản mặt cầu BTCT - Thí nghiệm 3. 3.4.2. Kết quả thí nghiệm Hình 3. 9: Phân bố các vết nứt tại đáy bản sau khi kết thúc thí nghiệm 3. 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 4.1. So sánh kết quả mô phỏng với kết quả thí nghiệm ứng xử nứt phi tuyến Mô phỏng kết cấu theo sơ đồ 3D với kích thước thực của mô hình thí nghiệm. 1-Mô hình 3D và kết quả phân tích kết cấu dầm T bằng ANSYS
17 2-Mô hình 3D và kết quả phân tích kết cấu dầm T bằng MIDAS FEA Hình 4. 1: Mô hình 3D và kết quả phân tích nứt kết cấu dầm T. Hình 4. 2: Mô hình 3D thí nghiệm bản kê 2 cạnh trong ANSYS. So sánh kết quả phân tích phi tuyến nứt với kết quả thí nghiệm của mô hình kết cấu dầm T và bản kê 2 cạnh chịu tải trọng tĩnh. Hình 4. 3: So sánh độ võng tại giữa bản (V3) giữa các kết quả mô phỏng số và thí nghiệm. Đường cong độ võng của mô phỏng số bám sát với đường cong thực nghiệm. Kết quả đo vẽ phân bố nứt trong thí nghiệm và trong mô phỏng được trình bày như trong Hình 4. 4 và Hình 4. 5:
18 1-Kết quả thí nghiệm 2-Kết quả tính ANSYS Hình 4. 4: So sánh phân bố nứt giữa kết quả mô phỏng số bằng ANSYS với kết quả thí nghiệm mô hình kết cấu dầm T. 1-Kết quả thí nghiệm 2-Kết quả tính MIDAS FEA Hình 4. 5: 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. Trong luận án này sử dụng đồng thời cả 2 phần mềm ANSYS và MIDAS FEA phù hợp với từng bài toán cụ thể cần phân tích. 4.2. Phân tích kết cấu nhịp dầm T chịu tác dụng tĩnh của xe tải nặng 4.2.1. Mô hình phân tích 1350 3300 250kN 250kN 175kn 150 8700 150 250 625 1250 1900 4500 250 398 625 1250 658 625 625 250 4500 4500 Hình 4. 6: Sơ đồ xếp xe tải 3 trục trên kết cấu nhịp