Đề tài Nghiên cứu ứng xử uốn của dầm bê tông cường độ cao cốt polyme gia cường sợi (frp) để xây dựng cầu ở campuchia

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI CHENG POR ENG NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ UỐN CỦA DẦM BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ CAO CỐT POLYME GIA CƯỜNG SỢI (FRP) ĐỂ XÂY DỰNG CẦU Ở CAMPUCHIA LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 11- 2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI CHENG POR ENG NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ UỐN CỦA DẦM BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ CAO CỐT POLYME GIA CƯỜNG SỢI (FRP) ĐỂ XÂY DỰNG CẦU Ở CAMPUCHIA Ngành: Kỹ thuật Xây dựng công trình đặc biệt Mã số : 62.58.02.06 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. GS.TS Nguyễn Viết Trung 2. PGS.TS Nguyễn Thị Tuyết Trinh HÀ NỘI – 11 - 2017 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan: Luận án “Nghiên cứu ứng xử uốn của dầm bê tông cường độ cao cốt polyme gia cường sợi (FRP) để xây dựng cầu ở Campuchia” là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nghiên cứu và kết luận trong luận án này là trung thực và chưa được công bố trong bất kỳ công trình nào từ trước cho tới nay. Tác giả luận án Cheng Por Eng ii LỜI CẢM ƠN Luận án được thực hiện tại Bộ môn Công trình Giao thông thành phố và Công trình thủy, khoa Công trình, Trường Đại học Giao thông vận tải dưới sự hướng dẫn của GS.TS. Nguyễn Viết Trung và PGS.TS. Nguyễn Thị Tuyết Trinh. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến GS.TS. Nguyễn Viết Trung, PGS.TS. Nguyễn Thị Tuyết Trinh đã hết lòng giúp đỡ, tạo điều kiện tác giả hoàn thành luận án. Tác giả chân thành cảm ơn quý thầy cô giáo trong Bộ môn Công trình giao thông thành phố và Công trình thủy - Trường Đại học Giao thông vận tải đã động viên, giúp đỡ và tạo điều kiện để tôi hoàn thành luận án. Tác giả xin chân thành cảm ơn phòng Đào tạo sau đại học trường Đại học Giao thông vận tải đã giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập tại trường. Tác giả xin trân trọng cảm ơn Phòng thí nghiệm Vilas 047 Trường Đại học Giao thông vận tải đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi thực hiện các nghiên cứu thực nghiệm. Cuối cùng tôi bày tỏ cảm ơn đến gia đình và người thân đã động viên, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu. Hà Nội, ngày 02 tháng 11 năm 2017 Tác giả Cheng Por Eng iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .............................................................................................................. i LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................... ii MỤC LỤC ........................................................................................................................ iii DANH MỤC BẢNG ....................................................................................................... vii DANH MỤC HÌNH VẼ .................................................................................................... x DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ............................................................................ xiii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU ....................................................................................... xiv MỞ ĐẦU ........................................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ XÂY DỰNG CẦU Ở CAMPUCHIA VÀ ỨNG DỤNG BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ CAO CỐT POLYME GIA CƯỜNG SỢI (FRP) ................................................................................................................................ 7 1.1. Tổng quan về xây dựng cầu ở Campuchia ................................................ 7 1.1.1. Điều kiện tự nhiên của Campuchia..................................................... 7 1.1.2. Mạng lưới giao thông vận tải của Campuchia .................................. 10 1.1.3. Tình hình sử dụng bê tông cường độ cao trong xây dựng cầu ở Campuchia ......................................................................................... 12 1.1.4. Bảo dưỡng sửa chữa và tình trạng hư hỏng của mạng lưới giao thông ở Campuchia ..................................................................................... 15 1.2. Tổng quan về bê tông cường độ cao (BTCĐC) ...................................... 19 1.2.1. Giới thiệu về bê tông cường độ cao .................................................. 19 1.2.2. Ứng dụng và phân loại bê tông cường độ cao .................................. 20 1.3. Tổng quan về cốt polyme gia cường sợi (FRP) ...................................... 21 1.3.1. Giới thiệu vật liệu FRP ..................................................................... 21 1.3.2. Lịch sử phát triển và tình hình áp dụng cốt FRP .............................. 22 1.3.3. Các Tiêu chuẩn thiết kế kết cấu bê tông cốt FRP ............................. 26 1.4. Đặc điểm tính chất và cách sản suất của vật liệu FRP ............................ 27 iv 1.4.1. Cách sản xuất của vật liệu FRP ........................................................ 27 1.4.2. Đặc điểm tính chất của vật liệu FRP ................................................ 30 1.4.3. Ứng xử phụ thuộc vào thời gian ....................................................... 35 1.4.4. Dính bám của cốt FRP với bê tông ................................................... 36 1.5. Các nghiên cứu ứng xử uốn của dầm bê tông cốt FRP ........................... 38 1.5.1. Các nghiên cứu trên thế giới ............................................................. 38 1.5.2. Các nghiên cứu ở Việt Nam ............................................................. 41 1.6. Xác định vấn đề nghiên cứu của luận án ................................................ 42 1.7. Kết luận chương 1 ................................................................................... 43 CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT VỀ PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ KẾT CẤU BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ CAO CỐT POLYME GIA CƯỜNG SỢI (FRP) ............... 44 2.1. Thiết kế kết cấu bê tông cốt FRP chịu uốn theo TTGH cường độ ......... 44 2.1.1. Các giả thiết cơ bản khi thiết kế ....................................................... 45 2.1.2. Mô hình vật liệu của bê tông cường độ cao và cốt FRP ................... 45 2.1.3. Hệ số sức kháng ϕ ............................................................................. 52 2.1.4. Dạng phá hoại của cấu kiện chịu uốn ............................................... 54 2.1.5. Mô men uốn danh định ..................................................................... 57 2.2. Thiết kế kết cấu bê tông cốt FRP chịu cắt theo TTGH cường độ ........... 57 2.2.1. Cường độ chống cắt danh định của bê tông Vc ................................ 58 2.2.2. Sức kháng cắt do cốt FRP, Vf ........................................................... 58 2.3. Thiết kế kết cấu bê tông cốt FRP theo TTGH sử dụng ........................... 59 2.3.1. Kiểm soát vết nứt .............................................................................. 59 2.3.2. Kiểm soát độ võng ............................................................................ 64 2.4. Thiết kế kết cấu theo TTGH mỏi ............................................................ 64 2.5. Trình tự kiểm toán các loại mặt cắt dầm bê tông cốt FRP và cốt thép ... 66 v 2.5.1. Trình tự kiểm toán mặt cắt bê tông chỉ sử dụng cốt FRP chịu kéo .. 66 2.5.2. Kiểm toán mặt cắt bê tông sử dụng cốt FRP kết hợp với cốt thép ở vùng chịu kéo .................................................................................... 70 2.5.3. Kiểm toán mặt cắt bê tông sử dụng cốt FRP ở vùng chịu kéo và cốt thép ở vùng chịu nén ......................................................................... 74 2.6. Kết luận chương 2 ................................................................................... 76 CHƯƠNG 3: THÍ NGHIỆM UỐN DẦM BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ CAO CỐT POLYME GIA CƯỜNG SỢI THỦY TINH (GFRP) .......................................... 77 3.1. Mở đầu .................................................................................................... 77 3.2. Công tác chuẩn bị mẫu thí nghiệm ......................................................... 77 3.2.1. Chuẩn bị ván khuôn và buộc cốt GFRP ........................................... 77 3.2.2. Vật liệu ............................................................................................. 78 3.2.3. Chi tiết dầm thí nghiệm .................................................................... 80 3.3. Tiêu chuẩn thí nghiệm ............................................................................ 81 3.3.1. Tiến hành lắp đặt thiết bị đo biến dạng vào cốt chịu kéo GFRP. ..... 81 3.3.2. Công tác đổ và bảo dưỡng bê tông dầm. .......................................... 82 3.3.3. Phương pháp tiến hành thí nghiệm ................................................... 83 3.4. Phân tích kết quả thí nghiệm ................................................................... 89 3.4.1. Các hình dạng vết nứt của dầm thí nghiệm ...................................... 89 3.4.2. Các dạng phá hoại của dầm thí nghiệm ............................................ 90 3.5. Đánh giá kết quả thí nghiệm ................................................................... 90 3.5.1. So sánh kết quả thí nghiệm với kết quả tính toán ............................. 90 3.5.2. Đánh giá độ mở rộng vết nứt và độ võng ......................................... 92 3.6. Kết luận chương 3 ................................................................................... 94 CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ KẾT CẤU BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ CAO CỐT POLYME GIA CƯỜNG SỢI (FRP) .................................................................... 96 vi 4.1. Đặt vấn đề ............................................................................................... 96 4.2. Các căn cứ thiết kế .................................................................................. 97 4.2.1. Các Tiêu chuẩn thiết kế .................................................................... 97 4.2.2. Kết cấu cầu ....................................................................................... 97 4.2.3. Các số liệu và đặc tính dầm tính toán ............................................... 98 4.2.4. Số liệu và cấu tạo bản mặt cầu ......................................................... 99 4.3. Thiết kế thử nghiệm dầm cầu ................................................................ 100 4.3.1. So sánh hiệu quả của dầm theo các loại cốt ................................... 100 4.3.2. Xác định tỷ lệ h/L tối thiểu của dầm theo các loại cốt ................... 103 4.3.3. Chọn tỷ lệ (h/L) để tìm ra hàm lượng cốt FRP ............................... 116 4.4. Thiết kế thử nghiệm bản mặt cầu của dầm chữ T ................................. 122 4.4.1. Kết quả tính toán nội lực bản mặt cầu ............................................ 122 4.4.2. So sánh bản mặt cầu sử dụng cốt thép, cốt GFRP và cốt CFRP .... 124 4.5. Kết luận chương 4 ................................................................................. 125 KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ ............................................................................................ 127 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ ĐÃ CÔNG BỐ .............................. a TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................. b PHỤ LỤC (QUYỀN 2) ...................................................................................................... l vii DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1. Lượng mưa trung bình hàng năm .................................................................... 9 Bảng 1.2. Phương thức mạng lưới giao thông của Campuchia hiện nay ...................... 11 Bảng 1.3. Chiều dài mạng lưới đường Bộ Campuchia tính đến năm 2014 ................... 11 Bảng 1.4. Kết cấu được khảo sát năm 2012 .................................................................. 12 Bảng 1.5. Các loại cầu được khảo sát trong dự án [93] ................................................ 12 Bảng 1.6. Phân loại bê tông theo cường độ chịu nén .................................................... 13 Bảng 1.7. Thống kê sự phát triển của ngành cầu ở Campuchia .................................... 13 Bảng 1.8. Tổng chiều dài thiệt hại của mạng lưới giao thông Campuchia năm 2011 .. 18 Bảng 1.9. Danh sách cầu bị hư hại (2011) .................................................................... 18 Bảng 1.10. Tỷ trọng cốt FRP và cốt thép (g/cm3) ......................................................... 32 Bảng 1.11. Hệ số đặc trưng việc giãn nở nhiệt của cốt thép và cốt FRP ...................... 32 Bảng 1.12. Các chỉ tiêu cơ lý yêu cầu của vật liệu FRP [22] ........................................ 33 Bảng 2.1. Hệ số giảm môi trường theo điều kiện tiếp xúc của cấu kiện ....................... 52 Bảng 2.2. Bề dày tối thiểu được khuyến nghị của dầm/bản theo ACI 440 .................. 61 Bảng 2.3. Giá trị của kb ................................................................................................. 63 Bảng 2.4. Giới hạn ứng suất phá hoại từ biến của cốt FRP........................................... 65 Bảng 3.1. Vật liệu được sử dụng ................................................................................... 78 Bảng 3.2. Thành phần (1 m3) cấp phối bê tông cường độ cao (2456,24 kg/m3) ........... 78 Bảng 3.3. Kết quả thí nghiệm mẫu thử ở tuổi bê tông 7 ngày ....................................... 79 Bảng 3.4. Kết quả thí nghiệm mẫu thử ở tuổi bê tông 28 ngày ..................................... 80 Bảng 3.5. Các thông số dự kiến kết quả thí nghiệm ...................................................... 80 Bảng 3.6. Số liệu kết quả thí nghiệm của các dầm ........................................................ 85 Bảng 3.7. Tải trọng gây nứt và tải trọng phá hoại ......................................................... 90 viii Bảng 3.8. Biến dạng của bê tông chịu nén và cốt GFRP chịu kéo khi bị phá hoại ....... 91 Bảng 3.9. Quan hệ tải trọng – độ võng (mm) ................................................................ 92 Bảng 3.10. Kết quả tính toán khi  = 0,55 .................................................................... 93 Bảng 3.11. Kết quả tính toán tải trọng giới hạn phù hợp .............................................. 94 Bảng 3.12. So sánh kết quả dầm thí nghiệm (NCS) với kết quả khác .......................... 94 Bảng 4.1. Nội lực giữa dầm (L=12 m) ........................................................................ 100 Bảng 4.2. Bố trí các loại cốt cho xấp xỉ bằng nhau ..................................................... 101 Bảng 4.3. Kết quả tính toán của dầm theo các loại cốt ............................................... 101 Bảng 4.4. So sánh hiệu quả các loại cốt cho dầm cầu ................................................. 102 Bảng 4.5. Kết quả tính toán của dầm sử dụng cốt thép (chiều dài thay đổi) ............... 104 Bảng 4.6. Kết quả tính toán của dầm sử dụng cốt GFRP (chiều dài thay đổi)............ 104 Bảng 4.7. Kết quả tính toán của dầm sử dụng cốt CFRP (chiều dài thay đổi) ............ 105 Bảng 4.8. Kết quả tính toán của dầm sử dụng cốt Hybrid (chiều dài thay đổi) .......... 106 Bảng 4.9. Kết quả của 4 loại dầm thay đổi theo chiều dài .......................................... 109 Bảng 4.10. Kết quả tính toán của dầm sử dụng cốt thép (chiều cao thay đổi) ............ 110 Bảng 4.11. Kết quả tính toán của dầm sử dụng cốt GFRP (chiều cao thay đổi) ......... 111 Bảng 4.12. Kết quả tính toán của dầm sử dụng cốt CFRP (chiều cao thay đổi) ......... 112 Bảng 4.13. Kết quả tính toán của dầm sử dụng cốt Hybrid (chiều cao thay đổi)....... 112 Bảng 4.14. Kết quả của 3 loại dầm thay đổi theo chiều cao dầm ................................ 115 Bảng 4.15. Bố trí các loại cốt cho mặt cắt dầm ........................................................... 117 Bảng 4.16. Kết quả tính toán của các loại dầm (cốt vừa đủ) ....................................... 119 Bảng 4.17. Bố trí và tính toán thử tỷ lệ cốt GFRP và cốt thép .................................... 120 Bảng 4.18. Kết quả tính toán của dầm Hybrid ............................................................ 121 Bảng 4.19. Số liệu nội lực trong bản mặt cầu ............................................................. 122 ix Bảng 4.20. Bố trí cốt thép và cốt GFRP cho 1m dài bản mặt cầu............................... 124 Bảng 4.21. Khả năng chịu lực của bản mặt cầu sử dụng cốt thép, cốt GFRP và cốt CFRP ..................................................................................................................................... 124 x DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1. Bản đồ địa hình và mạng lưới giao thông Campuchia .................................... 7 Hình 1.2. Biểu đồ lượng mưa và nhiệt độ hàng tháng của Campuchia ........................... 9 Hình 1.3. Bản đồ vị trí của đường ưu tiên trong nghiên cứu năm (2013) ..................... 11 Hình 1.4. Cầu Kizuna .................................................................................................... 14 Hình 1.5. Cầu Chroy Changvar ..................................................................................... 14 Hình 1.6. Cầu Neak Loeung .......................................................................................... 14 Hình 1.7. Cầu Preak Tameak ......................................................................................... 15 Hình 1.8. Cầu Preak Kdam ............................................................................................ 15 Hình 1.9. Cầu Koh Poh .................................................................................................. 15 Hình 1.10. Chí phí bảo dưỡng cầu đường hàng năm của Campuchia ........................... 16 Hình 1.11. Cầu bê tông cốt thép (Kampongcham) ........................................................ 17 Hình 1.12. Cầu giàn bê tông cốt thép (Kom pot) .......................................................... 17 Hình 1.13. Cầu giàn bê tông cốt thép (NR.6) ................................................................ 18 Hình 1.14. Bố trí cốt GFRP và CFRP cho mặt cầu Wotton (Canada). ......................... 24 Hình 1.15. Bố trí cốt GFRP và CFRP cho mặt cầu Morristown (USA). ...................... 25 Hình 1.16. Thi công cầu qua sông Trout, Alaska Canada Highway ............................. 25 Hình 1.17. Thi công cầu Crow Creek Bridge, City of Bettendorf Iowa ....................... 25 Hình 1.18. Cầu dầm T cốt CFRP tại sông Rouge ở Southfield, Michigan, USA ......... 25 Hình 1.19. Thi công đường tại công trình 136 Hồ Tùng Mậu - Hà Nội ....................... 26 Hình 1.20. Quá trình sản xuất cốt FRP .......................................................................... 30 Hình 1.21. Khả năng chịu lực của vật liệu FRP (ACI 440.1R-06) ............................... 31 Hình 1.22. Bề mặt hình học của cốt FRP ...................................................................... 31 Hình 1.23. Truyền lực qua sự dính bám của cốt FRP ................................................... 36 xi Hình 2.1. Biểu đồ ứng suất-Biến dạng của bê tông chịu nén ........................................ 46 Hình 2.2. Biểu đồ khối ứng suất của bê tông thường .................................................... 49 Hình 2.3. Biểu đồ khối ứng suất của bê tông cường độ cao .......................................... 49 Hình 2.4. Ứng suất biến dạng của cốt GFRP và cốt thép .............................................. 51 Hình 2.5. Mô hình tính toán hệ số ϕ trên cơ sở đề suất (ACI 440.1R-06, AASHTO 2009) với hệ số α1 =0,75 của BTCĐC ..................................................................................... 53 Hình 2.6. Phân bố ứng suất – biến dạng ở điều kiện cân bằng (εc=εcu, εf = εfu) ............ 54 Hình 2.7. Phân bố ứng suất –