Nghiên cứu ứng dụng kết cấu dầm bê tông dự ứng lực đúc sẵn với bê tông cường độ cao cho phát triển giao thông khu vực Đông Nam Bộ tt

TÓM TẮT ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN 1. Nghiên cứu đã khẳng định được sự cần thiết áp dụng kết cấu dầm đúc sẵn sử dụng bê tông cường độ cao trong xây dựng công trình cầu ở vùng Đông Nam Bộ. 2. Thiết kế được các cấp phối bê tông C60, C70, C80 có độ sụt cao sử dụng vật liệu địa phương khu vực Đông Nam Bộ, với cốt liệu thô sử dụng đá dăm Phú Mỹ - Bà Rịa và cốt liệu mịn phối trộn giữa cát sông và cát nghiền với tỉ lệ 60/40, phù hợp cho sản xuất dầm bê tông dự ứng lực đúc sẵn với quy mô công nghiệp. 3. Đối với các cấp phối C60, C70, C80 sử dụng vật liệu vùng Đông Nam Bộ, nghiên cứu đã đưa ra cách xác định một số chỉ tiêu cơ lý để phục vụ cho công tác thiết kế kết cấu dầm cầu bê tông dự ứng lực đúc sẵn khi sử dụng các cấp phối đó như mô đun đàn hồi, cường độ chịu kéo khi uốn, hệ số quy đổi khối ứng suất tương đương. 4. Đã đề xuất các thông số kích thước mặt cắt phù hợp đối với kết cấu dầm I cánh rộng sử dụng bê tông cường độ cao với các chiều dài nhịp 24m, 33m, 60m. 5. Khẳng định được tính hiệu quả của việc dùng dầm I cánh rộng với bê tông cường độ cao so với các loại hình dầm truyền thống sử dụng bê tông thông thường hiện nay trong khu vực Đông Nam Bộ: Giảm chiều cao dầm từ 150mm đến 450mm; giảm khối lượng vật liệu từ 10% đến 50%.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

VÕ VĨNH BẢO

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG KẾT CẤU DẦM BÊ TÔNG DỰ ỨNG LỰC ĐÚC SẴN VỚI BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ CAO CHO PHÁT TRIỂN GIAO THÔNG KHU VỰC ĐÔNG NAM BỘ

Ngành: Kỹ thuật Xây dựng Công trình giao thông

Mã số: 9580205

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ

HÀ NỘI - 2022

Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Giao thông Vận tải

Người hướng dẫn khoa học:

Có thể tìm hiểu luận án tại:

1 Thư viện Trường Đại học Giao thông Vận tải

2 Thư viện Quốc gia

MỞ ĐẦU

1 Tính cần thiết của đề tài

Đối với miền nam Việt Nam, khu vực kinh tế trọng điểm mà hạt nhân là khu vực Đông Nam Bộ đang có tiềm năng và nguồn lực để phát triển mạnh mẽ, nhiều khu đô thị mới nhanh chóng hình thành, tốc

độ đô thị hóa của vùng Đông Nam Bộ thuộc mức cao nhất trong cả nước, từ đó nhu cầu xây dựng hệ thống hạ tầng kỹ thuật cũng đòi hỏi tương ứng Để đáp ứng nhu cầu xây dựng hệ thống giao thông đô thị khu vực Đông Nam Bộ, cần có nhiều giải pháp kết cấu dầm phục vụ cho các dự án xây dựng cầu trong đô thị

Loại hình kết cấu dầm bê tông dự ứng lực với bê tông cường độ cao đã được nhiều quốc gia trên thế giới áp dụng vào xây dựng công trình giao thông, ưu điểm của bê tông cường độ cao là có thể tăng khả năng chịu lực của kết cấu từ đó giúp thiết kế các kết cấu có kích thước nhỏ hơn, trọng lượng nhẹ hơn, vượt nhịp xa hơn và độ bền cũng gia tăng do chất lượng bê tông tốt hơn Tuy nhiên, hiện tại trong khu vực Đông Nam Bộ, các dự án xây dựng công trình cầu chỉ sử dụng bê tông

có cường độ từ 50MPa trở xuống Đây là một vấn đề còn bỏ ngỏ và cần được xem xét giải quyết Với tiềm năng có sẵn của khu vực Đông Nam Bộ về vật liệu để sản xuất bê tông cường độ cao, việc nghiên cứu ứng dụng bê tông cường độ cao vào xây dựng công trình cầu giao thông trong khu vực Đông Nam Bộ là một hướng đi đúng đắn

2 Mục tiêu của luận án

- Nghiên cứu chế tạo bê tông cường độ cao sử dụng vật liệu khu vực Đông Nam Bộ và thực nghiệm đánh giá một số đặc tính cơ học quan trọng của vật liệu như mô đun đàn hồi, cường độ chịu kéo khi uốn, phát triển cường độ theo thời gian, để phục vụ cho công tác thiết kế và chế tạo kết cấu dầm bê tông dự ứng lực

- Phân tích và lựa chọn loại hình kết cấu dầm bê tông dự ứng lực đúc sẵn có khả năng ứng dụng với bê tông cường độ cao trong thiết

kế chế tạo dầm bê tông dự ứng lực đúc sẵn sử dụng vật liệu khu vực Đông Nam Bộ

- Ứng dụng tính toán thiết kế kết cấu dầm điển hình đối với loại hình dầm đã lựa chọn ở bước 2 sử dụng bê tông cấp phối bê tông ở bước 1 để ứng dụng trong các dự án giao thông trong khu vực Đông Nam Bộ

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án

 Về vật liệu: nghiên cứu sử dụng vật liệu địa phương khu vực Đông

Nam Bộ để chế tạo cấp phối bê tông cường độ cao có các đặc tính phù hợp cho công tác thi công dầm bê tông dự ứng lực đúc sẵn

 Về kết cấu: nghiên cứu ứng dụng kết cấu dầm I cánh rộng bằng bê

tông dự ứng lực đúc sẵn nhịp giản đơn cho phát triển giao thông khu vực Đông Nam Bộ

 Về tải trọng: Giới hạn tải trọng nghiên cứu là bài toán tải trọng

tĩnh

4 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp nghiên cứu chủ yếu là nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Nhu cầu phát triển giao thông khu vực Đông Nam Bộ

Đông Nam Bộ là vùng có mức độ đô thị hóa cao và phát triển nhanh chóng Mật độ dân số tập trung cao ở các khu công nghiệp và vùng lân cận

Các tỉnh trong khu vực này có tốc độ đô thị hóa rất cao, do chênh lệch thu nhập với các vùng khác dẫn đến tình trạng di dân ồ ạt từ các tỉnh lân cận về đô thị Tình trạng chung của các đô thị này là: nhu cầu

về nhà ở lớn, nhu cầu giao thông cá nhân và luân chuyển hàng hóa lớn vượt quá khả năng của hệ thống hạ tầng hiện hữu

Trong các đô thị hiện hữu, quỹ đất dành cho giao thông còn khá hạn hẹp, chi phí đền bù giải tỏa mặt bằng rất lớn, nên các tuyến đường trên cao và các tuyến ngầm sẽ được chú trọng phát triển nhiều hơn

1.2 Các loại hình kết cấu dầm bê tông dự ứng lực đúc sẵn đang được ứng dụng và phát triển trong xây dựng công trình cầu

Tại Việt Nam, với các cầu nhịp vừa và nhỏ (chiều dài từ 60m trở xuống), kết cấu nhịp dạng dầm giản đơn là kết cấu nhịp được áp dụng nhiều nhất

Bảng 1-1: Thống kê các dạng dầm dự ứng lực đúc sẵn sử dụng phổ

biến tại Việt Nam

STT Dạng dầm cầu Phương thức chế tạo

1 Dầm I 18,6m Dự ứng lực căng trước và căng sau

2 Dầm I 24,54m Dự ứng lực căng trước và căng sau

3 Dầm I 33m Dự ứng lực căng trước và căng sau

4 Dầm I 42m Dự ứng lực căng trước

1 Dầm SuperT 38,2m Dự ứng lực căng trước

E MỘT SỐ DẠNG DẦM MỚI ĐƯỢC ĐƯA VÀO VIỆT NAM

1 Dầm T ngược 25m Dự ứng lực căng trước

Hiện nay trên thế giới, các loại hình dầm bê tông dự ứng lực đúc sẵn đang được áp dụng rộng rãi có thể kể đến các loại dầm Bulb-

Tee, dầm I cánh rộng (Wide Flange Girder), dầm U-Beam, dầm Tub, dầm Pi

Bath-1.3 Tình hình ứng dụng và xu thế phát triển bê tông cường độ cao (HSC), bê tông tính năng cao (HPC) trong xây dựng và sửa chữa cầu

Bê tông cường độ cao HSC và tính năng cao HPC đã được nghiên cứu và áp dụng rộng rãi tại nhiều nước trên thế giới, dẫn đầu

là các nước Mỹ, Đức, Pháp, Nhật Nhiều nước khác cũng rất quan tâm phát triển loại hình kết cấu bê tông cường độ cao như Trung Quốc, Hàn Quốc, Úc, Na Uy, Anh, Canada

Trong thiết kế kết cấu nhịp cầu hiện nay tại Việt Nam, bê tông được dùng phổ biến với dải cường độ thường áp dụng [4050]MPa cho kết cấu dầm dự ứng lực, đối với bản mặt cầu đổ tại chỗ thường dùng bê tông với cường độ [3035]MPa

Ở khu vực Thành phố Hồ Chí Minh và các tỉnh lân cận trong vùng Đông Nam Bộ, hiện nay rất nhiều nhà máy bê tông đã đưa vào sản xuất bê tông cường độ cao đến 80MPa nhưng vẫn chủ yếu dùng chế tạo các cấu kiện cọc bê tông cốt thép dự ứng lực đúc sẵn

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ CAO CẤP 60MPA ĐẾN 80MPA SỬ DỤNG VẬT LIỆU ĐỊA PHƯƠNG KHU VỰC ĐÔNG NAM BỘ ỨNG DỤNG CHO DẦM BÊ TÔNG DỰ ỨNG LỰC ĐÚC SẴN

2.1 Khái quát về bê tông cường độ cao

Bê tông cường độ cao được chế tạo dựa trên một số điều chỉnh sau:

 Giảm tỉ lệ nước trên xi măng (N/X): sử dụng phụ gia giảm nước cao thế hệ mới, tỷ lệ N/X có thể giảm nhiều mà vẫn đảm bảo độ sụt yêu cầu

 Bổ sung một số loại sản phẩm có độ mịn cao: có 3 loại sản phẩm thường được sử dụng là tro bay, muội silic và metakaolin hoạt tính

2.2 Nghiên cứu thiết kế thành phần cấp phối bê tông cường độ 60MPa đến 80MPa sử dụng vật liệu địa phương vùng Đông Nam

Bộ

Vùng Đông Nam Bộ có nguồn cung cấp đá xay chất lượng tốt dồi dào, Nguồn gốc đá chủ yếu là đá bazan, cường độ đá gốc dao động trong khoảng 100Mpa đến 200Mpa Nguồn đá có cường độ cao tập trung ở các khu vực Tân Cang, Định Quán tỉnh Đồng Nai, Châu Pha

ở Bà Rịa-Vũng Tàu, Dĩ An ở Bình Dương

Nguồn cát cung cấp chủ yếu tại vùng Đông Nam Bộ là từ sông Tiền, cát vàng Tân Châu (An Giang) là vật liệu phổ biến do nguồn cung dồi dào và giá thành thấp Tuy nhiên, mô đun độ lớn chỉ đạt khoảng 1.75 (theo TCVN 7572-2:2006), nếu chỉ dùng cát sông, sẽ không đảm bảo yêu cầu về cấp phối Hiện tại ở vùng Đông Nam Bộ, cát nghiền sản xuất tại Phú Mỹ tỉnh Bà Rịa - Vũng Tàu đang là lựa chọn thay thế, bổ sung hợp lý cho cốt liệu mịn chế tạo bê tông cường

độ cao Đề tài đề xuất sử dụng cốt liệu mịn có tỷ lệ trộn 60% cát sông với 40% cát nghiền để ứng dụng trong những phần nghiên cứu tiếp theo

 Thiết kế cấp phối bê tông C60 sử dụng vật liệu khu vực Đông

Nam Bộ

+Yêu cầu thiết kế:

- Cường độ chịu nén 28 ngày mẫu trụ từ 60Mpa trở lên

- Độ sụt yêu cầu: 160mm

+ Các bước thiết kế: theo ACI211.4R-08

Kết quả thiết kế được trình bày trong bảng 2-13

Bảng 2-13: Cấp phối C60 được chọn sau thử nghiệm

Kí hiệu

BT N/CKD

Đ (kg)

C (kg)

N (lit)

X (kg)

FA (kg) (kg) SF PGSD (lít) C60 0.3145 1120 720 150 477 0 0 4

 Thiết kế cấp phối bê tông C70 sử dụng vật liệu khu vực Đông

Nam Bộ

+Yêu cầu hỗn hợp:

- Cường độ nén 28 ngày mẫu trụ từ 70Mpa

- Độ sụt yêu cầu: 160mm

+ Các bước thiết kế: theo ACI211.4R-08

Kết quả thiết kế được trình bày trong bảng 2-15

Bảng 2-15: Cấp phối C70 được chọn sau thử nghiệm

Kí hiệu

BT N/CKD

Đ (kg)

C (kg)

N (lit)

X (kg)

FA (kg) (kg) SF PGSD (lít) C70 0.264 1120 700 140 530 0 0 4.77

 Thiết kế cấp phối bê tông C80 sử dụng vật liệu khu vực Đông

Nam Bộ

+Yêu cầu hỗn hợp: Cường độ nén 28 ngày mẫu trụ từ 80Mpa

Độ sụt yêu cầu: 160mm

+ Các bước thiết kế: theo ACI211.4R-08

Kết quả thiết kế được trình bày trong bảng 2-17

Bảng 2-17: Cấp phối C80 được chọn sau thử nghiệm

Kí hiệu

BT N/CKD

Đ (kg)

C (kg)

N (lit)

X (kg)

FA (kg) (kg) SF PGSD (lít) C80 0.26 1120 780 140.4 540 0 0 5.2

 Đánh giá cường độ chịu nén của các cấp phối thử nghiệm C60,

C70, C80 sử dụng vật liệu địa phương vùng Đông Nam Bộ

Cường độ chịu nén đặc trưng của các cấp phối C60, C70, C80 đã chọn được xác định theo kết quả thí nghiệm nén mẫu hình trụ

15x30(cm) với số lượng 12 mẫu cho mỗi cấp phối Kết quả thí nghiệm trong bảng 2-19

Bảng 2-19: Kết quả xác định cường độ đặc trưng đối với 3 cấp phối

 Cường độ chịu kéo khi uốn

Cường độ chịu kéo khi uốn được xác định bằng thí nghiệm trong phòng các mẫu dầm kích thước 15x15x60 (cm), tiêu chuẩn sử dụng để thí nghiệm là ASTM C78-02, số lượng mẫu thí nghiệm dùng xác định cường độ chịu kéo khi uốn là 12 mẫu cho mỗi cấp phối

So sánh giá trị thu được từ thí nghiệm với giá trị ước tính theo TCVN 11823 đối với 3 cấp phối C60, C70, C80 như sau:

f r từ thí nghiệm (MPa)

Độ chênh lệch (%)

Mô đun đàn hồi được xác định bằng thí nghiệm mẫu trụ 15cm30cm với số lượng mẫu thí nghiệm đối với mỗi cấp phối C60, C70 và C80 là 12 mẫu/cấp phối Tiêu chuẩn sử dụng: theo ASTM 469/469M-10 Kết quả thí nghiệm mô đun đàn hồi thể hiện trong bảng 2-23

Bảng 2-23: Kết quả thí nghiệm mô đun đàn hồi mẫu trụ

Cấp phối C60 Cấp phối C70 Cấp phối C80 Tên mẫu E c (Mpa) Tên mẫu E c (Mpa) Tên mẫu E c (Mpa)

C60-M25 52580.0 C70-M25 54109.5 C80-M25 62751.0 C60-M26 53832.8 C70-M26 51866.0 C80-M26 56443.0 C60-M27 55815.9 C70-M27 51131.5 C80-M27 57818.9 C60-M28 54085.1 C70-M28 57881.9 C80-M28 58187.2 C60-M29 55441.7 C70-M29 60778.6 C80-M29 58541.7 C60-M30 56695.0 C70-M30 59997.1 C80-M30 52114.2 C60-M31 56754.3 C70-M31 58279.4 C80-M31 58169.2 C60-M32 67927.6 C70-M32 57878.2 C80-M32 61192.9 C60-M33 56754.3 C70-M33 54899.6 C80-M33 62727.4 C60-M34 55386.7 C70-M34 60454.9 C80-M34 59985.9 C60-M35 48569.5 C70-M35 59971.3 C80-M35 56113.3 C60-M36 52129.2 C70-M36 59913.0 C80-M36 58503.2 Trung

Trong nội dung nghiên cứu này, đề tài sử dụng kết thí nghiệm nén mẫu theo các ngày tuổi 1, 3, 5, 7 và 28 ngày để đánh giá sự phát triển cường độ của bê tông cường độ cao với vật liệu khu vực Đông Nam

Bộ theo ngày tuổi Số lượng mẫu thí nghiệm dùng xác định cường độ theo thời gian là 6 mẫu cho mỗi ngày tuổi Với kết quả thí nghiệm thu được, có thể sử dụng công thức sau để ước tính thời gian phát triển cường độ cho cả 3 cấp phối C60, C70, C80:

 Xây dựng phương trình đường cong quan hệ ứng suất - biến

dạng của bê tông cường độ cao sử dụng vật liệu địa phương vùng Đông Nam Bộ và xác định các hệ số α 1 và  1

Để thực hiện thí nghiệm xác định đường cong quan hệ ứng suất - biến dạng, sử dụng thí nghiệm mẫu bê tông hình trụ 1530 (cm) dán strain gauge ở hai bên đối diện dọc theo chiều cao mẫu để đo biến dạng của mẫu theo thời gian thực, kết hợp với loại máy nén thí nghiệm

có bộ phận đo lực nén theo thời gian thực, có thể xác định được biểu

đồ quan hệ ứng suất - biến dạng với điều kiện sự phá hoại mẫu xảy ra

ở vùng giữa thân của mẫu trụ Số lượng mẫu thí nghiệm dùng xác định đường cong quan hệ ứng suất - biến dạng là 6 mẫu cho mỗi cấp phối Strain gauge được sử dụng là loại Kyowa KC-70-120-A11-11 chiều dài 67mm dán với bê tông bằng keo chuyên dụng bán kèm Tần suất lấy dữ liệu (lực nén và biến dạng) của các thiết bị được điều chỉnh

ở mức 62ms ( 1000 lần/phút)

Hình 2-17: Hình ảnh mẫu thí nghiệm trước khi nén

Vì lượng dữ liệu thu được từ thiết bị đo cho mỗi mẫu là khá nhiều,

để đơn giản cho việc biểu diễn biểu đồ quan hệ ứng suất biến dạng, kết quả dữ liệu thí nghiệm cho mỗi mẫu bê tông sẽ được lọc lấy 15 giá trị tương ứng với các thời điểm sau:

 Giá trị lực lớn nhất (f’c) và biến dạng tương ứng tại thời điểm f’c (o)

 Giá trị biến dạng lớn nhất max

 Giai đoạn gia tăng lực từ 0 đến f’c : lấy thêm 9 giá trị tại các thời điểm có ứng lực tương ứng khoảng (0.1; 0.2; 0.3; 0.4; 0.5; 0.6; 0.7; 0.8; và 0.9)f’c

 Giai đoạn từ o đến max : lấy thêm 4 giá trị tại các thời điểm có biến dạng tương ứng khoảng o + (0.2; 0.4; 0.6; 0.8)(max - o) Quá trình thực hiện thí nghiệm 18 mẫu bê tông với 3 cấp phối C60; C70; C80 thu được kết quả của 15 mẫu (1 mẫu bị lỗi của thí nghiệm viên không lưu tín hiệu về biến dạng, 2 mẫu thí nghiệm lỗi chuỗi dữ liệu về biến dạng)

Với kết quả dữ liệu thu được, đề tài tiến hành đánh giá và chọn lựa được dạng phương trình sử dụng để biểu diễn quan hệ ứng suất

biến dạng đối với bê tông cường độ cao sử dụng vật liệu khu vực Đông Nam Bộ như sau:

Bảng 2-37: Kết quả xác định tham số  dựa vào dữ liệu thí nghiệm

C60-M3 19.5 C70-M3 16.9 C80-M2 22.7 C60-M4 14.3 C70-M4 53.4 C80-M3 10.6 C60-M5 24.9 C70-M5 16.9 C80-M4 35.4 C60-M6 14.1 C70-M6 72.1 C80-M5 10.2 C70-M2 86.3 C80-M1 9.0 C80-M6 14.9

Giá trị trung bình  t/b = 28.08 Dựa trên kết quả tính, đề tài đề xuất sử dụng giá trị tham số =28.1

Để xây dựng biểu đồ quan hệ ứng suất biến dạng hoàn chỉnh, cần xác định giá trị cu cũng như tỷ lệ tương đối giữa cu so với o, do đó,

ta xem xét tương quan giữa o và max theo bảng sau:

Bảng 2-38: Tổng hợp giá trị biến dạng tương đối o và max

STT Tên mẫu o max

Hình 2-19: Đường cong biểu diễn quan hệ ứng suất biến dạng khi nén của bê tông cường độ cao với vật liệu khu vực Đông Nam Bộ Định dạng của biểu đồ trên hình 2-19 có thể sử dụng để xác định các hệ số α1 và 1 của khối ứng suất nén tương đương đối với tiết diện dầm bê tông cốt thép có tiết diện chữ nhật bằng cách xác định các tham

số k1, k2 và k3 , các tham số xác định được như sau:

f’c

o=0.95max max=0.0023



- k1 = 0.541; - k2 = 0.3365; - k3 = 1

Suy ra: 1 1 3

2

k k2k

   0.804

1 = 2k2 = 0.673

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN KẾT CẤU DẦM BÊ TÔNG DỰ ỨNG LỰC ĐÚC SẴN VỚI BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ 60MPA ĐẾN 80MPA ỨNG DỤNG CHO XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG KHU VỰC ĐÔNG NAM BỘ

3.1 Giới thiệu

Trong chương này cũng trình bày nội dung tính toán kết cấu dầm điển hình sử dụng các cấp phối bê tông C60, C70, C80 với chiều dài nhịp 60m, 33m và 24m, sử dụng các cấp phối vật liệu bê tông cường

độ cao C60, C70, C80 đã được trình bày trong chương 2

3.2 Lựa chọn bộ vật liệu cho dầm bê tông dự ứng lực đúc sẵn và bản mặt cầu đổ tại chỗ

Các loại vật liệu sau trong nội dung tính toán kiểm toán:

 Vật liệu sử dụng đối với dầm dự ứng lực:

- Cường độ chịu nén f’c = 67,2MPa

+ Bê tông cường độ cao cấp phối C70:

- Cường độ chịu nén f’c = 74,3MPa

+ Bê tông cường độ cao cấp phối C80:

- Cường độ chịu nén f’ = 84,5MPa