BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG HÀ NỘI
Ngô Quý Tuấn
NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ UỐN DẦM CẦU DỰ ỨNG LỰC SỬ DỤNG BÊ
TÔNG CHẤT LƯỢNG SIÊU CAO (UHPC) TRONG ĐIỀU KIỆN VIỆT NAM
Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông - Xây dựng Cầu hầm
Mã số: 62580205-1
TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ
Hà Nội – Năm 2024
Công trình được hoàn thành tại Trường Đại học Xây dựng Hà Nội
Người hướng dẫn khoa học 1: PGS.TS. Nguyễn Bình Hà
Người hướng dẫn khoa học 2: TS. Lê Bá Danh
Phản biện 1: GS.TS. Trần Đức Nhiệm
Phản biện 2: GS.TSKH. Nguyễn Đông Anh
Phản biện 3: TS. Đỗ Hữu Thắng
Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp trường họp tại Trường
Đại học Xây dựng Hà Nội
Vào hồi: ……. giờ … ngày .. tháng …năm 2024
Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện Quốc Gia và thư viện Trường Đại học Xây
dựng Hà Nội
1
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Bê tông chất lượng siêu cao (Ultra-high performance concrete - UHPC) là
một sản phẩm bê tông thế hệ mới, thành phần vật liệu chính bao gồm xi măng
Poóc lăng, cát nghiền mịn, bột quắc, silica fume, phụ gia siêu dẻo, sợi thép và
nước. UHPC thể hiện tính chất cơ học vượt trội với cường độ chịu nén lớn hơn
120 MPa , cường độ chịu kéo khi uốn lên đến 50 MPa, cường độ chịu kéo dọc
trục từ 6 ÷ 12 MPa , mô đun đàn hồi từ 42 ÷ 55 GPa . Ngoài ra, UHPC có độ đặc
chắc, tính dẻo dai cao, khả năng chống ăn mòn tốt giúp tăng độ bền và tuổi thọ
công trình.
UHPC có cường độ chịu kéo cao, vì vậy khi thiết kế uốn, cường độ chịu kéo
của UHPC không bỏ qua như đối với bê tông thường. Sự lý tưởng hóa đường
quan hệ ứng suất – biến dạng khi kéo và nén phục vụ thiết kế kết cấu UHPC là
đề tài được các nhà nghiên cứu quan tâm. Khi tính toán khả năng chịu uốn dầm
UHPC, ứng suất khối Whitmey quen thuộc sử dụng cho kết cấu BTCT truyền
thống là không còn phù hợp và được thay thế bằng đường tuyến tính hoặc đường
hai đoạn thẳng cho các cấu kiện UHPC. Trên thế giới, đã có các tiêu chuẩn và
khuyến nghị thiết kế uốn dầm UHPC. Trong các tiêu chuẩn này, phương pháp
thiết kế uốn dựa trên phân tích mặt cắt sử dụng nguyên lý cân bằng và tương
thích biến dạng, đồng thời sử dụng các biểu đồ đường cong UHPC để xác định
ứng suất trên tiết diện ngang. Việc tính toán sức kháng uốn theo phương pháp
này được thực hiện bằng quá trình giải lặp rất phức gây khó khăn cho các kỹ sư
thiết kế và các nhà nghiên cứu.
Tóm lại, khi nghiên cứu về sức kháng uốn dầm cầu UHPC DƯL để áp dụng
cho công trình cầu tại Việt Nam cần giải quyết những vấn đề sau: cần xây dựng
đường quan hệ ứng suất – biến dạng cho loại vật liệu UHPC chế tạo tại Việt Nam
để thiết kế uốn dầm cầu; cần có công thức tính sức kháng uốn dầm UHPC DƯL
được lập dựa trên biểu đồ phân bố ứng suất khối chữ nhật tương đương bao gồm
cả vùng ứng suất kéo, tương tự như với bê tông thông thường trong tiêu chuẩn
thiết kế cầu đường bộ TCVN 11823:2017; cần có một mô hình số phù hợp để
mô phỏng khả năng chịu uốn dầm UHPC DƯL phục vụ nghiên cứu về uốn trong
điều kiện nghiên cứu thực nghiệm đang còn hạn chế như hiện nay.
Xuất phát từ những vấn đề nêu trên, với mong muốn cung cấp thêm các cơ sở
khoa học phục vụ thiết kế uốn dầm cầu UHPC DƯL tại Việt Nam, nghiên cứu
sinh đã thực hiện đề tài nghiên cứu Tiến sĩ là: “Nghiên cứu ứng xử uốn dầm
cầu dự ứng lực sử dụng bê tông chất lượng siêu cao (UHPC) trong điều kiện
Việt Nam”.
2. Mục đích nghiên cứu
Mục đích của đề tài là nghiên cứu khả năng chịu uốn của dầm UHPC DƯL
sử dụng vật liệu sẵn có trong nước, phục vụ ứng dụng cho kết cấu nhịp cầu tại
Việt Nam.
2
3. Mục tiêu nghiên cứu
(1) Nghiên cứu tính chất cơ học UHPC sử dụng thành phần vật liệu và công
nghệ trong nước được chế tạo và ứng dụng tại Việt Nam, đồng thời đề xuất các
đường quan hệ ứng suất – biến dạng khi kéo và khi nén phục vụ thiết kế uốn.
(2) Xây dựng cơ sở lý thuyết tính toán sức kháng uốn dầm cầu UHPC DƯL,
từ đó đề xuất phương pháp và công thức tính toán sức kháng uốn dầm cầu UHPC
DƯL.
(3) Xây dựng cơ sở lý thuyết và mô hình số dầm cầu UHPC DƯL chịu uốn
và so sánh với kết quả thực nghiệm, từ đó đề xuất phương pháp mô hình số phù
hợp để mô phỏng ứng xử vật liệu UHPC. Có thể sử dụng mô hình số này để khảo
sát các kết cấu nhịp UHPC DƯL.
4. Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu: dầm cầu UHPC DƯL chịu uốn được chế tạo từ các
vật liệu thành phần sẵn có trong nước.
Phạm vi nghiên cứu:
(1) Các tính chất cơ học bao gồm cường độ chịu nén, cường độ chịu kéo, mô
đun đàn hồi, hệ số Poisson và ứng xử khi kéo, nén của UHPC được chế tạo tại
Trường Đại học Xây dựng Hà Nội.
(2) Nghiên cứu về sức kháng uốn của dầm UHPC DƯL ở trạng thái giới hạn
cường độ.
(3) Phương pháp mô hình số mô phỏng ứng xử uốn dầm đơn sử dụng phương
pháp PTHH trong không gian 3 chiều.
5. Phương pháp nghiên cứu
(1) Phương pháp nghiên cứu tài liệu: sử dụng để nghiên cứu tổng quan tài liệu
nhằm kế thừa, tổng hợp, phân tích các nghiên cứu trong và ngoài nước về vật
liệu UHPC đã được công bố thời gian gần đây. Đồng thời, phương pháp này cũng
phục vụ nghiên cứu cơ sở lý thuyết tính toán sức kháng uốn dầm UHPC DƯL.
(2) Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm: sử dụng để xác định các tính chất
cơ học vật liệu UHPC và đánh giá ứng xử khi uốn và sức kháng uốn của dầm
UHPC DƯL.
(3) Phương pháp mô hình số PTHH: sử dụng để mô hình hoá các ứng xử vật
liệu UHPC cho các mẫu thí nghiệm cơ học vật liệu và mẫu dầm UHPC DƯL.
(4) Phương pháp xử lý thông tin: các thông tin định tính và định lượng được
xử lý nhằm tìm ra các quy luật và các mối quan hệ phục vụ phân tích, so sánh
kết quả nghiên cứu.
6. Nội dung chính nghiên cứu
(1) Nghiên cứu tổng quan về UHPC DƯL trên thế giới và ở Việt Nam.
(2) Nghiên cứu xây dựng biểu đồ đường quan hệ ứng suất – biến dạng kéo và
nén cho UHPC sử dụng thành phần vật liệu ở Việt Nam để phục vụ tính toán sức
kháng uốn của dầm cầu.
3
(3) Nghiên cứu xây dựng biểu đồ phân bố ứng suất dạng khối chữ nhật tương
đương, từ đó đề xuất công thức tính sức kháng uốn dầm cầu UHPC DƯL.
(4) Nghiên cứu mô hình số bằng phương pháp PTHH để mô phỏng sự làm
việc của dầm cầu UHPC DƯL chịu uốn và so sánh với kết quả thực nghiệm. Từ
đó, có thể sử dụng mô hình số để nghiên cứu ứng xử uốn của dầm trong điều
kiện hạn chế về số liệu thực nghiệm.
(5). Ứng dụng các kết quả nghiên cứu để thiết kế uốn cho một dạng kết cấu
dầm cầu UHPC DƯL cụ thể.
7. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của luận án
Ý nghĩa khoa học:
- Luận án đã xây dựng cơ sở lý thuyết tính toán sức kháng uốn của dầm UHPC
DƯL.
- Luận án đã xây dựng cơ sở mô hình số đánh giá khả năng chịu uốn dầm
UHPC DƯL. Có thể dùng mô hình số này để tiếp tục nghiên cứu, thiết kế dầm
UHPC DƯL.
Ý nghĩa thực tiễn:
- Luận án đã cung cấp cơ sở dữ liệu về các chỉ tiêu cơ học vật liệu UHPC
phục vụ thiết kế chịu uốn dầm UHPC DƯL trên cơ sở vật liệu thành phần ở Việt
Nam.
- Đề xuất cơ sở lý thuyết về tính toán sức kháng uốn, cơ sở lý thuyết về mô
hình số dầm UHPC DƯL phục vụ thiết kế nhịp cầu qua đó góp phần thúc đẩy
việc ứng dụng loại vật liệu này cho kết cấu cầu tại Việt Nam.
8. Những đóng góp mới của luận án
(1). Luận án đã xây dựng mô hình đường quan hệ ứng suất – biến dạng nén
và kéo cho UHPC có sử dụng thành phần vật liệu trong nước chế tạo tại Trường
Đại học Xây dựng Hà Nội để xác định khả năng chịu uốn của dầm cầu UHPC
DƯL tại Việt Nam.
(2). Luận án đề xuất và xây dựng biểu đồ phân bố ứng suất khối hình chữ nhật
tương đương để tính sức kháng uốn của dầm cầu UHPC DƯL, với cạnh hình chữ
nhật được thể hiện thông qua các hệ số quy đổi hình khối ứng suất (𝛼1,𝛽1,𝛽2)
được biểu diễn bằng các công thức dưới đây:
𝛼1=1.2132−0.00345𝑓𝑐′; 𝛽1=0.795−0.0005𝑓𝑐′; 𝛽2=0.5+2279.9𝑒(−𝑓𝑐′13.9
⁄)
(3). Luận án đã lập công thức tính toán sức kháng uốn dầm cầu UHPC DƯL
cho tiết diện chữ T tổng quát được thể hiện theo biểu thức sau:
𝑀𝑛=𝐴𝑝𝑠𝑓𝑝𝑠(𝑑𝑝−𝛽1𝑑𝑛
2)+𝑓𝑡(𝑏𝑏−𝑏𝑤)ℎ𝑏(ℎ−ℎ𝑏
2−𝛽1𝑑𝑛
2)
+𝑓𝑡𝛽2(ℎ−𝑑𝑛)𝑏𝑤(ℎ−𝛽2(ℎ−𝑑𝑛)
2−𝛽1𝑑𝑛
2)+𝛼1𝑓𝑐′(𝑏−𝑏𝑤)ℎ𝑓(𝛽1𝑑𝑛
2−ℎ𝑓
2)
(4). Luận án đã đề xuất mô hình số ứng xử dầm UHPC DƯL phục vụ nghiên
cứu, thiết kế và ứng dụng trong thực tiễn.