Tóm tắt luận án tiếng việt: Nghiên cứu ứng dụng vật liệu cốt thanh polyme sợi thủy tinh cho kết cấu bản mặt cầu trên đường ô tô.

Nghiên cứu ứng dụng vật liệu cốt thanh polyme sợi thủy tinh cho kết cấu bản mặt cầu trên đường ô tô.Nghiên cứu ứng dụng vật liệu cốt thanh polyme sợi thủy tinh cho kết cấu bản mặt cầu trên đường ô tô.Nghiên cứu ứng dụng vật liệu cốt thanh polyme sợi thủy tinh cho kết cấu bản mặt cầu trên đường ô tô.Nghiên cứu ứng dụng vật liệu cốt thanh polyme sợi thủy tinh cho kết cấu bản mặt cầu trên đường ô tô.Nghiên cứu ứng dụng vật liệu cốt thanh polyme sợi thủy tinh cho kết cấu bản mặt cầu trên đường ô tô.Nghiên cứu ứng dụng vật liệu cốt thanh polyme sợi thủy tinh cho kết cấu bản mặt cầu trên đường ô tô.Nghiên cứu ứng dụng vật liệu cốt thanh polyme sợi thủy tinh cho kết cấu bản mặt cầu trên đường ô tô.Nghiên cứu ứng dụng vật liệu cốt thanh polyme sợi thủy tinh cho kết cấu bản mặt cầu trên đường ô tô.Nghiên cứu ứng dụng vật liệu cốt thanh polyme sợi thủy tinh cho kết cấu bản mặt cầu trên đường ô tô.Nghiên cứu ứng dụng vật liệu cốt thanh polyme sợi thủy tinh cho kết cấu bản mặt cầu trên đường ô tô.Nghiên cứu ứng dụng vật liệu cốt thanh polyme sợi thủy tinh cho kết cấu bản mặt cầu trên đường ô tô.Nghiên cứu ứng dụng vật liệu cốt thanh polyme sợi thủy tinh cho kết cấu bản mặt cầu trên đường ô tô.Nghiên cứu ứng dụng vật liệu cốt thanh polyme sợi thủy tinh cho kết cấu bản mặt cầu trên đường ô tô.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

NGUYỄN VĂN NGÔN

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG VẬT LIỆU CỐT THANH POLYME SỢI THỦY TINH CHO KẾT CẤU BẢN MẶT CẦU

TRÊN ĐƯỜNG Ô TÔ

Ngành: Kỹ thuật Xây dựng công trình đặc biệt

Mã số: 95.80.2.06

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI - 2022

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

Người hướng dẫn khoa học:

1 GS.TS Nguyễn Viết Trung

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 Lý do chọn đề tài

Bản mặt cầu là bộ phần bị suy thoái nhanh nhất trong các bộ phận của công trình cầu do chịu tác động trực tiếp của các điều kiện môi trường, các tác nhân hóa học và tải trọng xe, tất cả các yếu tố đó dẫn đến làm ăn mòn cốt thép Hậu quả dẫn đến sự phá hoại lớp bê tông bảo vệ làm phát sinh chi phí sửa chữa và gây gián đoạn giao thông

Do có khả năng chống ăn mòn mạnh, cốt thanh polyme sợi thủy tinh (GFRP) giúp cải thiện độ bền của bản mặt cầu và giảm thiểu chi phí sửa chữa thay thế

Cho đến nay số lượng các nghiên cứu về ứng xử của bản mặt cầu là khá hạn chế Mặt khác các nghiên cứu đã tiến hành sử dụng vật liệu cốt GFRP được sản xuất theo công nghệ Châu Âu, các kết quả tính toán và so sánh dựa trên các tiêu chuẩn của Châu

Âu, Mỹ, Nhật Bản, trong khi hiện chưa có nghiên cứu nào tiến hành trên vật liệu thanh GFRP được sản xuất tại Việt Nam nhằm khảo sát ứng xử của kết cấu dựa trên các quan hệ giữa tải trọng - độ võng, tải trọng - biến dạng của bê tông, tải trọng - biến dạng của cốt và khả năng chịu tải Trên cơ sở phân tích kết quả thực nghiệm, so sánh với lý thuyết đề xuất mô hình dự báo khả năng chịu tải phù hợp áp dụng tại Việt Nam

Do đó luận án lựa chọn đề tài “Nghiên cứu ứng dụng vật liệu cốt thanh polyme sợi thủy

tinh cho kết cấu bản mặt cầu trên đường ô tô” làm đề tài của luận án

2 Mục đích nghiên cứu

Nghiên cứu ứng dụng cốt thanh GFRP cho kết cấu bản mặt cầu trên đường ô tô;

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của luận án:

Kết cấu bản mặt cầu sử dụng cốt thanh GFRP loại có gờ, sản xuất tại Việt Nam (đạt tiêu chuẩn TCVN 11109:2015)

Phạm vi nghiên cứu:

- Nghiên cứu xác định ứng xử của kết cấu bản mặt cầu bê tông (có cường độ chịu nén 45 MPa), cốt thanh GFRP sản xuất tại Việt Nam, chịu tác dụng của tải trọng tập trung (thí nghiệm trong phòng)

- Nghiên cứu mô hình phá hoại, khả năng chịu tải, ảnh hưởng của hàm lượng cốt lớp dưới theo phương ngang đến khả năng chịu tải, độ võng, nứt, biến dạng của bê tông bản ở mặt trên và biến dạng của cốt ở lớp dưới

4 Phương pháp nghiên cứu

Luận án sử dụng kết hợp các phương pháp nghiên cứu: Phương pháp phân tích, thống kê, kết hợp nghiên cứu lý thuyết; Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm; Phương pháp mô phỏng số

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án

Ý nghĩa khoa học của luận án:

- Xác định được mô hình phá hoại của kết cấu bản mặt cầu và đề nghị công thức điều chỉnh dự báo khả năng chịu tải phù hợp phục vụ tính toán kết cấu bản mặt cầu bê tông cốt thanh GFRP

- Đề nghị phương pháp thiết kế kết cấu bản mặt cầu cốt thanh GFRP và các phương án sử dụng cốt thanh GFRP trong kết cấu bản mặt cầu tại Việt Nam

- Chứng minh hiệu quả của việc ứng dụng cốt thanh GFRP thay thế cốt thép trong kết cấu bản mặt cầu thông qua phân tích chi phí vòng đời

Ý nghĩa thực tiễn của luận án:

Luận án đề xuất mô hình dự báo khả năng chịu tải của kết cấu bản mặt cầu bê tông

sử dụng loại cốt thanh GFRP sản xuất tại Việt Nam và các phương án sử dụng cốt GFRP trong bản mặt cầu, làm cơ sở cho việc nghiên cứu, ứng dụng cốt GFRP trong xây dựng cầu tại Việt Nam

6 Cấu trúc của luận án

Luận án bao gồm phần mở đầu, 4 chương nội dung chính, phần kết luận kiến nghị,

đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo, phần tài liệu tham khảo và phần phụ lục tính toán

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU CỐT THANH POLYME SỢI THỦY TINH VÀ CÁC NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG TRONG KẾT CẤU BẢN MẶT CẦU 1.1 Khái quát về vật liệu cốt sợi polyme (FRP)

Cốt sợi polyme (FRP) là vật liệu hỗn hợp (composit) được tạo thành từ ít nhất hai thành phần vật liệu khác nhau Phân loại theo cốt sợi vật liệu thanh FRP được chia thành 3 loại là: cốt sợi thuỷ tinh (GFRP), cốt sợi cacbon (CFRP) và cốt sợi aramid (AFRP)

Ưu điểm

Vật liệu thanh GFRP có cường độ cao, trọng lượng nhẹ, ít bị ăn mòn và không có

từ tính

Nhược điểm

Cốt thanh GFRP có đun đàn hồi thấp (45 GPa); bị giảm độ bền trong môi trường

ẩm, a xít, muối, kiềm, tia UV; hệ số giãn nở nhiệt theo phương vuông góc với các sợi cao hơn so với bê tông, cường độ chịu cắt và cường độ theo hướng ngang sợi thấp; khả năng kháng cháy tương đối thấp; không có giới hạn chảy và bị phá họai khi biến dạng nhỏ; không uốn được tại công trường

1.2 Các tính chất cơ lý đặc trưng của vật liệu GFRP

Cốt thanh GFRP là loại vật liệu có ứng xử đàn hồi tuyến tính cho đến khi phá hoại Cường độ chịu nén và mô đun đàn hồi nén được lấy tương ứng bằng 45% và 80%

từ giá trị cường độ và mô đun đàn hồi chịu kéo [76, 104] Ứng xử cắt chịu ảnh hưởng chủ yếu bởi các tính chất của thành phần polyme Thanh GFRP nói chung có khả năng chịu cắt ngang yếu Cường độ chịu cắt có thể được cải thiện bằng cách bện hoặc quấn sợi bổ sung theo hướng ngang Cường độ chịu cắt ngang của thanh FRP dao động trong khoảng từ 30 - 50 MPa [58]

1.3 Độ bền của thanh GFRP

Các nghiên cứu đã chứng minh các yếu tố từ môi trường có ảnh hưởng đến độ bền của thanh GFRP làm suy giảm độ bền kéo và mô đun trong các thanh GFRP Do hiện tại chưa có các ứng dụng thực tế với thời gian dài, thông tin về độ bền của cốt thanh FRP trong các ứng dụng thường được ngoại suy dựa trên kết quả kiểm tra tăng tốc lão hóa ngắn hạn

1.4 Khái quát các nghiên cứu và ứng dụng cốt thanh GFRP

1.4.1 Khái quát về các tiêu chuẩn, hướng dẫn thiết kế hiện hành

Trong khi hướng dẫn thiết kế AASHTO LRFD 2009 chỉ bao gồm phần bản mặt cầu và gờ chắn, phiên bản thứ 2 AASHTO LRFD 2018 đã bao gồm tất cả các bộ phân của công trình cầu Tài liệu này hướng dẫn thiết kế bản mặt cầu ốt GFRP theo phương pháp thiết kế uốn trên cơ sở lý thuyết tính toán của bản mặt cầu bê tông cốt thép và đưa vào các hệ số xét đến sự khác biệt về ứng xử của cốt GFRP so với cốt thép

Bên cạnh đó Tiêu chuẩn thiết kế cầu của Canada (CAN/CSA S6) cho phép thiết

kế bản mặt cầu cốt GFRP theo 2 phương pháp: phương pháp thiết kế uốn và phương pháp kinh nghiệm

1.4.2 Một số nghiên cứu sử dụng cốt thanh FRP cho kết cấu bản mặt cầu

Các nghiên cứu trên công trình cầu thực tế

Benmokrane và cộng sự [29], Ahmed và cộng sự [23] đã tiến hành khảo sát trên các công trình cầu thực tế có bản mặt cầu sử dụng cốt GFRP Kết quả thu được cho thấy kết cấu thỏa mãn các điều kiện giới hạn quy định Dựa trên kết quả đo đạc, Ahmed cho rằng phương pháp thiết kế uốn của AASHTO và CHBDC (CAN/CSA S6) cho kết quả dự tính mô men uốn thiết kế lớn hơn thực tế Kết quả này là do ảnh hưởng của hiệu ứng vòm nén trong kết cấu bản mặt cầu [23], [29] Kết quả thử nghiệm cũng cho thấy bản mặt cầu sử dụng kết hợp cốt thép và thanh GFRP cũng có ứng xử tương tự như trường hợp sử dụng hoàn toàn bằng thanh GFRP hoặc cốt thép [23]

Các nghiên cứu trên mô hình bản mặt cầu trong phòng thí nghiệm

El-Gamal và cộng sự [50], Bouguerra và cộng sự [30] đã tiến hành thí nghiệm trên mô hình bản mặt cầu bê tông cốt thanh GFRP Các mẫu bản có kích thước dài 3,0

m, rộng 2,5 m và cao 0,2 m, được bố trí cốt GFRP với hàm lượng khác nhau Mẫu bản thí nghiệm được liên kết với hai dầm thép đặt cách nhau 2,0 m bằng bu lông Tải trọng thí nghiệm đặt tại giữa nhịp được truyền lên một tấm thép có kích thước (600x250)mm

để mô phỏng vệt bánh xe Kết quả thực nghiệm cho thấy tất cả các mẫu thử đều có dạng phá hoại cắt hai chiều (punching shear), với khả năng chịu tải đạt gấp khoảng 3 lần tải trọng tính toán thiết kế theo CHBDC (CAN/CSA S6) Chiều rộng vết nứt và độ võng lớn nhất đo được ứng với mức tải sử dụng đều nhỏ hơn giới hạn cho phép So sánh với thực nghiệm, kết quả dự báo khả năng chịu tải theo ACI 440.1R cho giá trị thấp hơn trung bình 2,66 đến 3,17 lần

Nghiên cứu về hiệu ứng vòm nén trong kết cấu bản mặt cầu

Zheng và cộng sự [108] nghiên cứu thực nghiệm trên mô hình bản mặt cầu cốt GFRP có tỉ lệ 1/3, với việc khảo sát ảnh hưởng của các thông số như chiều rộng dầm

đỡ (100, 150, 200)mm, loại cốt (GFRP, thép) và tỷ lệ cốt (0,5 - 1,0)% đối với ứng xử của bản

Dựa trên kết quả thực nghiệm, Zheng cho rằng khả năng chịu tải của kết cấu bản

mặt cầu được xác định bằng tổng sức kháng uốn của vật liệu (M b) và sức kháng uốn

tăng cường do hiệu ứng vòm nén (M a) được hình thành từ liên kết giữa bản mặt cầu với các dầm đỡ Tỷ lệ cốt có ảnh hưởng không đáng kể đến khả năng chịu tải của kết

cấu bản mặt cầu, trong khi chiều rộng dầm đỡ ảnh hưởng đáng kể đến (M a)

Nghiên cứu dự báo khả năng chịu tải bằng mô phỏng số

El-Gamal [47] đã khảo sát ứng xử của kết cấu bản mặt cầu bằng phân tích phi tuyến phần tử hữu hạn, sử dụng phần mềm phân tích kết cấu bê tông ANATECH 3.0 (ANATECH Corp., San Diego - Mỹ) Kết quả phân tích so sánh với kết quả thực nghiệm khá phù hợp với kết quả thực nghiệm với sai lệch < 4% đối với tải trọng nứt, tải trọng phá hoại Đối với bản (CFRP), độ võng ứng với tải trọng thiết kế và tải trọng phá hoại có sai lệch 1%, biến dạng của cốt ứng với tải trọng thiết kế và tải trọng phá hoại có sai lệch tương ứng 11% và 3% Đối với bản (GFRP), độ võng ứng với tải trọng thiết kế và tải trọng phá hoại có sai lệch tương ứng 6% và 1%, biến dạng của cốt ứng với tải trọng thiết kế và tải trọng phá hoại có sai lệch tương ứng 4% và 7%

Nghiên cứu về độ bền của cốt thanh GFRP

Kết cấu bê tông cốt GFRP sau thời gian khai thác 15 năm chưa bị ăn mòn [61] Với việc phân tích, tính toán thận trọng các nhà nghiên cứu cho rằng kết cấu bê tông cốt thanh GFRP sẽ có độ bền đến hơn 100 năm [110] và có khả năng chịu tải trọng mỏi vượt trội so với trường hợp sử dụng cốt thép [53]

Các nghiên cứu tại Việt Nam

Tại Việt Nam, hiện mới chỉ có các nghiên cứu trên kết cấu dầm, điển hình như nghiên cứu của Vũ Ngọc Anh và cộng sự [5], Cheng Por Eng [6], Nguyễn Hùng Phong [11], Nguyễn Minh Long và cộng sự [19], Phạm Thị Loan và cộng sự [9], Cù Thị Hồng Yến và cộng sự [13] Các nghiên cứu trên đều khẳng định ứng xử khác biệt của kết cấu dầm bê tông cốt GFRP so với cốt thép về độ võng, nứt, ăn mòn Nghiên cứu của Đặng

Vũ Hiệp và cộng sự [7] về sự thay đổi của độ võng sàn bê tông cốt thanh GFRP kích thước (2200x650x60)mm trong 90 ngày Kết quả cho thấy giá trị dự báo độ võng theo ACI.440 phù hợp với sàn chưa nứt nhưng lớn hơn nhiều so với độ võng đo được của sàn đã bị nứt chịu tải dài hạn

1.4.3 Ứng dụng của cốt thanh GFRP

Trên thế giới cốt thanh GFRP đã được ứng dụng vào một số hạng mục, bao gồm: mái nhà, mặt cầu; các công trình cầu vượt biển, tường chắn ven biển; kết cấu gờ chắn trên cầu, đường sắt, nhà ga, trong thi công hầm, …

Tại Việt Nam đã sử dụng thanh GFRP như: Nhà chiến sĩ cảnh vệ khu tưởng niệm Đại tướng Võ Nguyên Giáp, Vũng Chùa - Quảng Bình; đoạn đường Hồ Tùng Mậu - Cầu Giấy - Hà Nội; ứng dụng trong chế tạo cọc cừ sử dụng kết hợp bê tông cường độ siêu cao và cốt thanh GFRP; tập đoàn Vingroup đã sử dụng thanh GFRP kết hợp với thép thường làm đường dốc tầng hầm cho xe tải vận chuyển đất đào; Công ty BUSADCO - Vũng Tàu đang áp dụng thử nghiệm dùng thanh GFRP cho sản xuất nắp cống và cọc BTCT; Công trình công viên Phù Đổng tại Trần phú, Nha Trang sử dụng thanh GFRP làm bản đáy tầng hầm; Công trình đê biển Cà Mau sử dụng thanh GFRP

để thi công thử nghiệm hệ thống rọ đá làm kè biển

1.5 Định hướng nghiên cứu

Trên cơ sở các phân tích trên, trong phạm vi đề tài, tác giả dự kiến các nội dung nghiên cứu như sau:

1 Nghiên cứu lý thuyết tính toán kết cấu bản mặt cầu theo các phương pháp như: của Canada, Mỹ

2 Nghiên cứu thực nghiệm kết cấu bản mô phỏng điều kiện làm việc của bản mặt cầu sử dụng cốt thanh GFRP, chịu tác dụng của tải trọng bánh xe Kết quả thí nghiệm xác định các đặc trưng gồm: Mô hình phá hoại và khả năng chịu lực của kết cấu; Quan

hệ giữa tải trọng và độ võng; Tải trọng nứt và chiều rộng khe nứt; Quan hệ giữa tải trọng với biến dạng của bê tông mặt trên và biến dạng của cốt lớp dưới;

3 Phân tích, đánh giá kết quả dự tính theo các công thức lý thuyết, so sánh với thực nghiệm, từ đó đề xuất công thức điều chỉnh phù hợp áp dụng trọng tính toán thiết

kế kết cấu bản mặt cầu sử dụng cốt thanh GFRP tại Việt Nam

4 Phân tích hiệu quả khi ứng dụng cốt thanh GFRP thay thế cho cốt thép trong kết cấu bản mặt cầu

5 Đề xuất một số nội dung điều chỉnh áp dụng khi sử dụng cốt thanh GFRP và tiêu chuẩn thiết kế cầu hiện hành (TCVN 11823: 2017) trong thiết kế bản mặt cầu

Kết luận chương 1

Cốt thanh GFRP với khả năng kháng ăn mòn và độ bền cao hơn cốt thép đã được nghiên cứu và ứng dụng trong xây dựng cầu, nhà ga, tường chắn ven biển, Cho đến nay các chỉ dẫn tính toán, thiết kế kết cấu bản mặt cầu cốt thanh GFRP đã được ban hành và áp dụng ở một số nước như Mỹ, Nhật, Canada,

Các nghiên cứu, ứng dụng đã được thực hiện trên thế giới đều chứng minh việc

sử dụng cốt thanh GFRP thay thế một phần hoặc toàn bộ cốt thép trong bản mặt cầu đáp ứng được các yêu cầu thiết kế và tăng độ bền cho công trình

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT THIẾT KẾ KẾT CẤU BẢN MẶT CẦU BÊ TÔNG

CỐT THANH POLYME SỢI THỦY TINH 2.1 Giới thiệu

Chương này trình bày cơ sở lý thuyết và trình tự thiết kế bản mặt cầu sử dụng cốt GFRP theo hướng dẫn của AASHTO LRFD 2018 [16], và theo Tiêu chuẩn thiết kế cầu của Canada CAN/CSA S6.1S1-10 [44] Ngoài ra, để có cơ sở đề xuất công thức dự báo khả năng chịu tải áp dụng trong thiết kế kết cấu bản mặt cầu sử dụng cốt thanh GFRP, một phân tích, đánh giá các mô hình lý thuyết theo CSA - 2012 [43], ACI 440.1R - 15 [18], AASHTO LRFD 2018 [16]; JSCE - 97 [69]; El-Gamal et al [50], Ospina et al [86], Tiêu chuẩn Anh BS 8110 [35], TCVN 11823: 2017 [2], kết hợp phân tích hồi quy phi tuyến trên các dữ liệu thực nghiệm [30, 46, 49, 50, 52, 62, 63, 72, 92, 105] sẽ được tiến hành

2.2 Phương pháp thiết kế bản mặt cầu cốt thanh GFRP theo AASHTO LRFD

2018

AASHTO LRFD 2018 hướng dẫn thiết kế kết cấu bản mặt cầu sử dụng cốt GFRP theo phương pháp uốn tương tự như đối với bản mặt cầu bê tông cốt thép quy định tại TCVN 11823: 2017, với các công thức tính toán được điều chỉnh để phù hợp với đặc điểm ứng xử của cốt GFRP

2.3 Phương pháp thiết kế bản mặt cầu cốt thanh GFRP theo Tiêu chuẩn Thiết kế cầu của Canada (CAN/CSA S6.1S1-10)

Tiêu chuẩn thiết kế cầu của Canada cho phép thiết kế bản mặt cầu cốt GFRP theo hai phương pháp Phương pháp thiết kế chịu uốn tương tự như bản mặt cầu bê tông cốt thép được quy định tại mục 5.7 (CAN/CSA S6.1S1-10) và phương pháp thiết kế kinh nghiệm với điều kiện kết cấu phải đảm bảo các điều kiện về cấu tạo theo quy định và chỉ áp dụng cho phần bản phía trong Theo phương pháp kinh nghiệm, bản mặt cầu được bố trí 2 lưới cốt, với khoảng hở giữa lưới trên và lưới dưới không nhỏ hơn 55

mm Lớp cốt GFRP phía dưới theo phương ngang có diện tích tối thiểu được xác định theo (2.70)

min 500 s /

Với d s là khoảng cách từ mặt trên của bản đến trọng tâm cốt FRP đặt theo phương

ngang ở lớp dưới, mm; E f là mô đun đàn hồi của cốt thanh GFRP, MPa

Các lớp thanh GFRP còn lại ở lớp trên theo phương ngang và cốt theo phương dọc cả lớp trên và dưới bố trí với hàm lượng tối thiểu (f = 0,0035)

2.4 Đánh giá các công thức dùng trong tính toán khả năng chịu tải của kết cấu bản mặt cầu bê tông cốt GFRP

2.4.1 Khái quát về các công thức dự báo

Khả năng chịu tải của kết cấu bản bê tông cốt thanh GFRP có thể được dự tính bằng cách sử dụng công thức của ACI 440.1R 2015 [18], AASHTO LRFD 2018 [16]; JSCE - 97 [69]; El-Gamal et al [50], Ospina et al [86], Tiêu chuẩn Anh BS 8110 (BSI 1997) [35] Ngoài ra, để nhận thấy sự khác khác biệt về khả năng chịu tải khi sử dụng cốt GFRP thay thế cốt thép trong kết cấu bản mặt cầu, công thức dự báo của Tiêu chuẩn thiết kế cầu đường bộ TCVN 11823: 2017 [2] cũng được đưa vào phân tích

ACI 440.1R - 2015 [18]

'

4

.5

2 f f f f f f

k =  n +  n − n (2.72)

Trong đó: c là chiều cao trục trung hòa của mặt cắt nứt quy đổi, c = k.d, mm; b o là chu

vi của tiết diện nguyên ở khoảng cách bằng d/2 tính từ tải trọng tập trung, mm; n f là tỷ

số mô đun đàn hồi; f là hàm lượng cốt GFRP;

min f f ,1.5

p

s

E E

N: là hệ số xét đến tính liên tục, N = 0 với bản một nhịp; N = 1 với bản liên tục

theo một phương; N = 2 với bản liên tục theo hai phương

Tiêu chuẩn Anh BS 8110 (BSI 1997) [35]

1/3 1/3 1/ 4'

' '

Trong đó: c là tỷ số cạnh dài trên cạnh ngắn của hình chữ nhật mà qua đó tải trọng

truyền lên bản; d v là chiều cao chịu cắt hữu hiệu (d v = d), mm

2.4.2 Đánh giá các công thức dự báo

Tiến hành đánh giá các công thức lý thuyết dựa trên các số liệu thực nghiệm đã được tiến hành của các tác giả [30, 46, 49, 50, 52, 62, 63, 72, 92, 105] Kết quả được tổng hợp đánh giá ở Bảng 2.5 và Hình 2.3

Bảng 2.5 Đánh giá mức độ phù hợp của các công thức lý thuyết

2018, JSCE, Tiêu chuẩn Anh đều cho kết quả dự báo nhỏ hơn giá trị thực nghiệm, với mức chênh lệch tương ứng 145%, 134%, 38%, 16%, 64% và độ lệch chuẩn tương ứng

là 0,734, 0,699, 0,33, 0,227, 0,373 Công thức của TCVN 11823: 2017 cho kết quả dự báo lớn hơn thực nghiệm, với chênh lệch trung bình 6% Nguyên nhân của sự sai lệch này là do công thức của TCVN 11823: 2017 quy định đối với cốt thép có mô đun đàn hồi lớn hơn mô đun đàn hồi của thanh GFRP 4,44 lần

Nhằm mục đích đề nghị công thức dự báo khả năng kháng chọc thủng của kết cấu bản mặt cầu bê tông cốt GFRP, nghiên cứu sinh đã sử dụng phương pháp hồi quy phi tuyến dựa trên các số liệu mẫu ở Bảng 2.5 Công thức của Ospina (2.80) được lựa chọn

để tiến hành phân tích điều chỉnh, do công thức này đã xét đến đầy đủ các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng chịu tải của kết cấu bản mặt cầu sử dụng cốt GFRP thay thế cốt

thép như mô đun đàn hồi của cốt, hàm lượng cốt, kích thước vệt tải Bên cạnh đó công thức của Ospina có dạng tương đối đơn giản hơn so với các công thức khác (ACI 440.1R 2015, AASHTO LRFD 2018, JSCE, El-Gamal, BS 8110)

Công thức (2.81) được biến đổi để đưa về dạng hàm số phi tuyến dạng tích (2.86)

Tiến hành phân tích kết quả thu được các hệ số: b o = 2,94; b 1 = 0,32; b 2 = 0,45

Thay các hệ số vào (2.86), công thức điều chỉnh được viết thành (2.89)

Phân tích tương quan giữa các đặc trưng về độ võng và chiều rộng vết nứt tương ứng với mức tải tác dụng từ các nghiên cứu [30], [49], [50], [105], được tổng hợp ở Bảng 2.8 cho thấy giới hạn về độ võng cho phép (điều kiện kiểm soát trong thiết kế kết cấu bản mặt cầu bê tông cốt GFRP), tương ứng với mức tải khai thác trung bình cho phép đạt 30% của mức tải gây phá hoại mẫu

Bảng 2.8 Phân tích tương quan giữa tải trọng phá hoại và mức tải tương ứng với

điều kiện giới hạn về độ võng

TT Các nghiên

cứu Mẫu bản

d (mm)

V[

(kN)

V[/ VTN

giới hạn về chiều rộng vết nứt cho phép (0,7 mm) và độ võng cho phép (L/800) theo hướng dẫn của AASHTO LRFD 2018 [16]

2.5 So sánh thiết kế kết cấu bản mặt cầu khi sử dụng cốt thanh GFRP thay thế cốt thép

Kết cấu bản mặt cầu có mặt cắt ngang rộng B = 7,0 m + 2x1,0 m, với các số liệu sau: Tải trọng thiết kế HL93; Tiêu chuẩn thiết kế: TCVN 11823: 2017 [2], chỉ dẫn của

AASHTO LRFD 2018 [16]; B ê tông: f’ c = 45 MPa; E c = 31,98.103 MPa; cu = 0,003;

cốt thanh GFRP: f fu = 900 MPa; E f = 45 GPa; CE = 0,7

Kết quả tính toán bố trí cốt được tổng hợp so sánh ở Bảng 2.9 cho thấy diện tích cốt GFRP cần thiết gấp 2,8 so với cốt thép, do mô đun đàn hồi của cốt GFRP chỉ bằng 1/4,4 so với mô đun đàn hồi của cốt thép nên cần diện tích cốt lớn hơn để đảm bảo điều kiện độ võng

Bảng 2.9 Tổng hợp bố trí cốt thép (GFRP) cho bản mặt cầu

Loại cốt Cốt dọc cầu Cốt ngang Tổng cộng

(mm 2 /m 2 )

Chênh lệch (lần) Đỉnh Đáy Đỉnh Đáy

Cốt thép 10a200 12a200 16a200 16a200 2967,3

2,8 Cốt thanh GFRP 16a200 16a100 20a100 20a100 8289,6

Kết luận chương 2

Kết cấu bản mặt cầu sử dụng cốt thanh GFRP có thể được thiết kế theo hai phương pháp: (1) Phương pháp thiết kế chịu uốn được chấp nhận bởi Tiêu chuẩn Thiết kế cầu của Canada và chỉ dẫn thiết kế kết cấu bản mặt cầu sử dụng cốt thanh GFRP của AASHTO LRFD 2018, với trình tự tiến hành tương tự như bản mặt cầu bê tông cốt thép; (2) Phương pháp thiết kế kinh nghiệm được quy đinh tại Tiêu chuẩn Thiết kế cầu của Canada, với quy đổi tương đương với hàm lượng cốt thép về độ cứng dọc trục tính đổi (E) của cốt đối với lớp dưới theo phương ngang cầu và tương đương về cường độ

chịu kéo dọc trục tính đổi đối với các lớp còn lại

Ứng dụng phương pháp thiết kế uốn, khi thay thế cốt thép bằng cốt thanh GFRP theo hướng dẫn của AASHTO LRFD 2018 [16] dựa trên tương quan về độ cứng dọc trục tính đổi của cốt (E), điều này dẫn đến phải sử dụng hàm lượng cốt thanh GFRP

lớn hơn do thanh GFRP có mô đun đàn hồi nhỏ hơn cốt thép

Công thức dự báo khả năng chịu tải của bản mặt cầu được đề nghị trên cơ sở điều chỉnh từ công thức của Ospina và mức tải khai thác cho phép cần được kiểm chứng, đánh giá bằng thực nghiệm để có cơ sở ứng dụng trong công tác thiết kế kết cấu bản mặt cầu cốt thanh GFRP tại Việt Nam

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM KẾT CẤU BẢN MẶT CẦU BÊ TÔNG

CỐT THANH POLYME SỢI THỦY TINH 3.1 Giới thiệu

Các cơ sở tiến hành thí nghiệm

- Các tiêu chuẩn: TCVN 7572-2006, ACI 211.1-97, Tiêu chuẩn thiết kế cầu TCVN 11823: 2017

- Các nghiên cứu về ứng xử của kết cấu bản mặt cầu bê tông cốt thép và bê tông cốt GFRP, chịu tải trọng tập trung đã công bố trên thế giới [30, 49, 50, 80, 105]

Mục đích của thí nghiệm

Thí nghiệm tiến hành trên mô hình bản mặt cầu sử dụng cốt thép hoặc thanh GFRP chịu tải trọng tập trung (mô phỏng vệt bánh xe) nhằm xác định ứng xử của kết cấu dựa trên các số liệu sau:

- Dạng phá hoại của kết cấu, tải trọng gây nứt, tải trọng gây phá hoại, chiều rộng vết nứt ứng với các mức tải tiêu chuẩn, mức tải tính toán quy định tại TCVN 11823:2017 Quan hệ giữa tải trọng với các tham số: độ võng, biến dạng của cốt lớp dưới theo ngang cầu, biến dạng của mặt bê tông chịu nén, trên các mẫu có hàm lương cốt ở lớp dưới theo phương ngang cầu đối với các nhóm mẫu cốt GFRP 0,4%, 1,0% và 1,2% và trên nhóm mẫu cốt thép có hàm lượng 0,4%

- Trên cơ sở phân tích kết quả thực nghiệm, tiến hành đánh giá khả năng dự báo của công thức đã đề nghị (công thức 2.89)

3.2 Lựa chọn mô hình thí nghiệm

Tham khảo các nghiên cứu đã được tiến hành trên thế giới [30, 49, 50] và Tiêu chuẩn thiết kế cầu đường bộ TCVN 11823: 2017, lựa chọn mô hình thí nghiệm là kết cấu bản có kích thước (2,5x2,5x0,2)m, được liên kết (bằng bu lông) với hai dầm đỡ, khoảng cách giữa hai tim dầm là 2,0 m Tải trọng thí nghiệm là tải tập trung được truyền lên giữa nhịp bản thông qua tấm thép đệm có kích thước mô phỏng vệt bánh xe (510x362)mm

3.3 Công tác chuẩn bị thí nghiệm

fu = 0,02 Mẫu đối chứng sử dụng cốt thép có đường kính 14 mm cho lớp chịu lực

chính và 10 mm cho các lớp còn lại Một số đặc trưng của cốt thép: f y = 420 MPa, E s =

200 GPa

a) GFRP - 10 b) GFRP - 16 c) GFRP - 20

Hình 3.2 Cốt thanh GFRP dùng cho thí nghiệm

Bê tông được thiết kế có cường độ chịu nén ở 28 ngày tuổi đạt 45 MPa (mẫu trụ), với thành phần chi tiết ở Phụ lục 5

đo bằng 03 cảm biến đã được dán sẵn vào cốt trước khi đổ bê tông (Hình 3.8)