Luận án Nghiên cứu ứng xử uốn dầm cầu dự ứng lực sử dụng bê tông chất lượng siêu cao (UHPC) trong điều kiện Việt Nam

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 LUẬN ÁN TIẾN SĨ Hà Nội – Năm 2024 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 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1. PGS.TS. Nguyễn Bình Hà 2. TS. Lê Bá Danh Hà Nội – Năm 2024 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận án là trung thực, khách quan và chưa từng được công bố ở bất kỳ nơi nào. Tác giả luận án Ngô Quý Tuấn ii LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên em xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu, Khoa Đào tạo Sau đại học trước đây và nay là Phòng Quản lý đào tạo Trường Đại học Xây Dựng Hà Nội nơi em học tập, đã tạo điều kiện, giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu. Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Ban Giám hiệu Trường Đại học Nông Lâm – Đại học Huế nơi em đang công tác đã tạo điều kiện để em hoàn thành tốt luận án Tiến sỹ này. Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS. Nguyễn Bình Hà, TS. Lê Bá Danh đã hướng dẫn, động viên, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất trong thời gian em thực hiện và hoàn thành luận án. Em xin gửi lời cảm ơn tới Khoa Cầu Đường, tập thể cán bộ Bộ môn Cầu và Công trình ngầm, Bộ môn Vật Liệu xây dựng, Trường Đại học Xây dựng Hà Nội đã tận tình giúp đỡ, dành nhiều thời gian trao đổi, đóng góp những ý kiến quý báu trong quá trình em thực hiện luận án. Em xin gửi lời cảm ơn đến chương trình nghiên cứu khoa học và công nghệ cấp Bộ: “Nghiên cứu ứng dụng bê tông chất lượng siêu cao trong xây dựng cầu quy mô nhỏ và trung bình” do PGS.TS. Phạm Duy Hòa làm chủ nhiệm đã tạo điều kiện cho em tham gia chương trình và hỗ trợ em trong quá trình thực hiện nghiên cứu. Em cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo, các nhà khoa học, các chuyên gia đã dành nhiều thời gian trao đổi, đóng góp những ý kiến quý báu cho luận án trong quá trình thực hiện. Cuối cùng, em xin trân trọng cảm ơn sự giúp đỡ, động viên, chia sẻ của gia đình đã hết sức giúp em có hậu phương vững chắc, tạo điều kiện thuận lợi, khích lệ và động viên tinh thần để em hoàn thành luận án Tiến sỹ này. Tác giả luận án Ngô Quý Tuấn iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................... I LỜI CẢM ƠN ...............................................................................................................II MỤC LỤC .............................................................................................................. III DANH MỤC CÁC HÌNH .......................................................................................... VI DANH MỤC CÁC BẢNG .......................................................................................... IX DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT .......................................................................... X MỞ ĐẦU ................................................................................................................. 1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ ỨNG DỤNG VẬT LIỆU BÊ TÔNG CHẤT LƯỢNG SIÊU CAO CHO KẾT CẤU NHỊP CẦU ............................................................................................. 7 1.1. Tổng quan về vật liệu UHPC ........................................................................... 7 1.1.1. Khái niệm vật liệu UHPC ................................................................................ 7 1.1.2. Các nguyên tắc chế tạo và ưu, nhược điểm của UHPC ................................... 7 1.1.3. Sự hình thành và phát triển của vật liệu UHPC ............................................... 8 1.1.4. Thành phần vật liệu chế tạo UHPC ................................................................ 10 1.2. Tổng quan nghiên cứu về vật liệu UHPC trên thế giới .................................. 12 1.3. Tổng quan nghiên cứu về vật liệu UHPC ở Việt Nam................................... 13 1.4. Tổng quan về ứng dụng vật liệu UHPC trong xây dựng công trình cầu trên thế giới và ở Việt Nam. ................................................................................................. 15 1.4.1. Ứng dụng vật liệu UHPC trong xây dựng cầu trên thế giới. .......................... 15 1.4.2. Tổng quan về ứng dụng vật liệu UHPC cho công trình cầu tại Việt Nam ..... 20 1.5. Tổng quan nghiên cứu phương pháp xác định sức kháng uốn dầm UHPC ... 23 1.6. Tổng quan nghiên cứu các dạng đường quan hệ ứng suất – biến dạng áp dụng cho thiết kế uốn dầm UHPC .......................................................................................... 32 1.6.1. Hiệp hội kỹ sư dân dụng Nhật Bản (JSCE) .................................................... 32 1.6.2. Hướng dẫn thiết kế K-UHPC của Hàn Quốc ................................................. 33 1.6.3. Hiệp hội đường bộ Hoa Kỳ (FHWA) ............................................................. 34 1.6.4. Chỉ dẫn thiết kế dầm UHPC DƯL của Ductal ............................................... 35 1.6.5. Tiêu chuẩn thiết kế kết cấu UHPC của Hiệp hội xây dựng Pháp .................. 36 1.7. Nghiên cứu phương pháp phân tích ứng xử dầm UHPC bằng mô hình số. ... 42 1.8. Nhận xét rút ra từ nghiên cứu tổng quan và đề xuất nghiên cứu. .................. 43 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ........... 46 iv 2.1. Nghiên cứu thực nghiệm ................................................................................ 46 2.2. Cơ sở khoa học và phương pháp xây dựng đường quan hệ ứng suất – biến dạng vật liệu UHPC tại Việt Nam. ................................................................................ 50 2.2.1. Đường quan hệ ứng suất - biến dạng nén. ...................................................... 51 2.2.2. Đường quan hệ ứng suất - biến dạng kéo. ...................................................... 52 2.3. Cơ sở khoa học và phương pháp xây dựng công thức tính toán sức kháng uốn dầm cầu UHPC DƯL ..................................................................................................... 57 2.3.1. Các giả thiết tính toán..................................................................................... 57 2.3.2. Phương pháp xây dựng biểu đồ ứng suất khối chữ nhật tương đương trên tiết diện ngang và lập công thức xác định sức kháng uốn ............................. 58 2.4. Phương pháp mô hình số PTHH mô phỏng sự làm việc của dầm cầu UHPC DƯL 59 2.4.1. Mô hình hóa vật liệu UHPC ........................................................................... 60 2.4.2. Mô hình hóa vật liệu cốt thép dự ứng lực ...................................................... 65 2.4.3. Phần tử sử dụng để mô hình hóa kết cấu UHPC ............................................ 65 2.4.4. Phần tử sử dụng để mô hình hóa cốt thép dự ứng lực .................................... 66 2.4.5. Phần tử sử dụng để mô hình hóa liên kết giữa cốt thép dự ứng lực và UHPC ........................................................................................................................ 66 2.4.6. Mô hình hóa lực dự ứng lực ........................................................................... 67 2.4.7. Thu thập kết quả từ mô hình số ...................................................................... 67 2.5. Nhận xét Chương 2 ........................................................................................ 67 CHƯƠNG 3. XÂY DỰNG ĐƯỜNG QUAN HỆ ỨNG SUẤT – BIẾN DẠNG VÀ ĐỀ XUẤT CÔNG THỨC TÍNH TOÁN SỨC KHÁNG UỐN DẦM CẦU UHPC DƯL ................................................................................ 69 3.1. Xử lý số liệu thí nghiệm uốn để xây dựng đường quan hệ ứng suất – biến dạng ........................................................................................................................ 69 3.2. Xây dựng đường quan hệ ứng suất – biến dạng UHPC phục vụ thiết kế ...... 73 3.2.1. Quan hệ ứng suất – biến dạng nén UHPC ...................................................... 73 3.2.2. Quan hệ ứng suất – biến dạng kéo UHPC ...................................................... 74 3.3. Xác định sức kháng uốn dầm UHPC DƯL bằng phương pháp phân tích mặt cắt ........................................................................................................................ 76 3.3.1. Sức kháng uốn dầm UHPC DƯL tiết diện chữ I............................................ 76 3.3.2. Sức kháng uốn dầm UHPC DƯL tiết diện chữ T .......................................... 80 v 3.4. Xây dựng công thức xác định vị trí trục trung hoà và sức kháng uốn danh định của dầm UHPC DƯL. ........................................................................................... 85 3.5. Nhận xét Chương 3. ....................................................................................... 92 CHƯƠNG 4. MÔ HÌNH SỐ KẾT CẤU UHPC BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN ..................................................................................... 93 4.1. Kết quả mô hình số mẫu hình trụ thí nghiệm nén vật liệu UHPC. ................ 94 4.2. Kết quả mô hình số mẫu dầm thí nghiệm uốn vật liệu UHPC ...................... 96 4.3. Mô hình mẫu dầm UHPC DƯL tiết diện chữ I. ............................................. 99 4.3.1. Mô hình kết cấu dầm I – UHPC DƯL ........................................................... 99 4.3.2. Kết quả dầm sau khi cắt cáp dự ứng lực ...................................................... 100 4.3.3. Kết quả dầm khi gia tải thí nghiệm .............................................................. 101 4.4. Mô hình mẫu dầm UHPC DƯL tiết diện chữ T. .......................................... 104 4.4.1. Kết quả dầm sau khi cắt cáp dự ứng lực ...................................................... 105 4.4.2. Kết quả dầm khi gia tải thí nghiệm .............................................................. 105 4.5. Nhận xét Chương 4. ..................................................................................... 108 CHƯƠNG 5. ÁP DỤNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU TRONG THIẾT KẾ UỐN DẦM CẦU BẰNG VẬT LIỆU UHPC DƯL .................................. 110 5.1. Chọn kết cấu cầu phục vụ nghiên cứu ......................................................... 110 5.2. Kết quả tính toán sức kháng uốn dầm bằng công thức đề xuất .................... 113 5.3. Kết quả phân tích khả năng chịu uốn dầm bằng mô hình số đề xuất ........... 116 5.3.1. Kết quả mô hình hóa dầm I42 ...................................................................... 116 5.3.2. Kết quả mô hình số DƯL dầm I42 ............................................................... 117 5.3.3. Kết quả phân tích độ võng và khả năng chịu uốn của dầm I42 ................... 118 5.3.4. Kết quả phân tích biến dạng và vị trí trục trung hòa tại giữa nhịp dầm I42 120 5.4. Đánh giá kết quả từ công thức và mô hình số dầm UHPC DƯL I42 .......... 122 5.5. Nhận xét Chương 5. ..................................................................................... 124 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................... 125 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ ............................................... 127 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... 128 vi DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1. Các loại bê tông đặc biệt [33] .................................................................................... 9 Hình 1.2. Sự phân bố ứng suất – biến dạng ở trạng thái giới hạn cường độ cho mặt cắt ngang chứa bó cáp dính bám [47] ...................................................................................................... 24 Hình 1.3. Sự phân bố ứng suất – biến dạng ở trạng thái giới hạn cường độ cho mặt cắt ngang chứa bó cáp không dính bám [47]............................................................................................ 25 Hình 1.4. Sự phân bố ứng suất, biến dạng trên tiết diện ngang dầm I-UHPC chịu uốn ở trạng thái giới hạn cường độ, (a) Trường hợp trục trung hòa qua sườn; (b) Trục trung hòa qua bản cánh trên [24] ........................................................................................................................... 26 Hình 1.5. Sự phân bố ứng suất, biến dạng trên tiết diện ngang (a) trạng thái giới hạn sử dụng; (b) trạng thái giới hạn cường độ [70] ............................................................................ 27 Hình 1.6. Các ví dụ điển hình về sự phân bố ứng suất, biến dạng ở sức kháng uốn danh nghĩa [60] ........................................................................................................................................... 28 Hình 1.7. Các mô hình ứng suất khối điển hình cho đơn giản hóa phân tích: (a) biểu đồ biến dạng tuyến tính; (b) khối ứng suất nén dạng parabol, ứng suất kéo phân bố đều; (c) khối ứng suất nén dạng chữ nhật theo ACI, ứng suất kéo phân bố đều; (d) khối ứng suất nén dạng chữ nhật theo ACI, ứng suất kéo dạng hình tam giác; (e) khối ứng suất nén dạng hình tam giác, ứng suất kéo phân bố đều [60] ................................................................................................. 29 Hình 1.8. Sơ đồ phân bố ứng suất và biến dạng: (a) tiết diện, (b) biểu đồ phân bố biến dạng, (c) biểu đồ phân bố ứng suất [87] ............................................................................................ 30 Hình 1.9. Mô hình phân tích tiết diện nhiều lớp: (a) phân lớp tiết diện lý tưởng, (b) biểu đồ phân bố biến dạng lý tưởng, (c) biểu đồ phân bố ứng suất lý tưởng, (d) sự cân bằng lực trên tiết diện [87] ............................................................................................................................. 30 Hình 1.10. Lưu đồ tính toán sức kháng uốn dầm UHPC [93] ................................................. 31 Hình 1.11. Đường cong ứng suất - biến dạng theo JSCE [18] ................................................ 32 Hình 1.12. Biểu đồ ứng suất - biến dạng theo K-UHPC .......................................................... 33 Hình 1.13. Biểu đồ ứng suất - biến dạng UHPC [49] .............................................................. 35 Hình 1.14. Đường quan hệ ứng suất – biến dạng khi nén [47] ................................................ 36 Hình 1.15. Đường quan hệ ứng suất – biến dạng khi kéo [47] ................................................ 36 Hình 1.16. Quan hệ ứng suất – biến dạng khi nén cho phân tích phi tuyến [42] .................... 37 Hình 1.17. Quan hệ ứng suất – biến dạng nén cho thiết kế uốn TTGH cường độ [42] ........... 38 Hình 1.18. Xác định cường độ chịu kéo sau nứt khi có xuất hiện cực đại cục bộ [42] ........... 40 Hình 1.19. Xác định cường độ chịu kéo sau nứt khi không xuất hiện cực đại cục bộ [42] ..... 40 Hình 1.20. Quan hệ ứng suất – biến dạng khi kéo UHPC cấu kiện dày nhóm T1* và T2* [42] .................................................................................................................................................. 41 Hình 1.21. Quan hệ ứng suất – biến dạng khi kéo UHPC cấu kiện dày nhóm T3* [42] ......... 41 Hình 1.22. Quan hệ ứng suất – biến dạng khi kéo UHPC cấu kiện mảnh dạng 1 [42] ........... 41 vii Hình 1.23. Quan hệ ứng suất – biến dạng khi kéo UHPC cấu kiện mảnh dạng 2 [42] ........... 42 Hình 1.24. Sơ đồ cấu trúc luận án. ........................................................................................... 45 Hình 2.1. Cát quắc .................................................................................................................... 48 Hình 2.2. Cốt sợi thép ............................................................................................................... 50 Hình 2.3. Dạng biểu đồ đường quan hệ ứng suất – biến dạng nén [42] .................................. 51 Hình 2.4. Dạng biểu đồ đường quan hệ ứng suất – biến dạng kéo [42] .................................. 52 Hình 2.5. Sự phân bố biến dạng và ứng suất trên chiều cao nứt và không nứt [41] ............... 54 Hình 2.6. Sự phân bố biến dạng và ứng suất trên tiết diện ngang dầm ở trạng thái giới hạn khả năng chịu uốn dầm UHPC. ................................................................................................ 58 Hình 2.7. Bề mặt giới hạn Drucker – Prager và Rankine trong không gian hai chiều [25] .... 60 Hình 2.8. Tổ hợp bề mặt giới hạn Drucker – Prager trong không gian ba chiều [25] ............ 63 Hình 2.9. Mô hình HSD hàm số mũ (HSD2) ............................................................................ 63 Hình 2.10. Mô hình HSD cốt thép gia cường (HSD4) ............................................................. 64 Hình 2.11. Mô hình HSD năng lượng phá hủy (HSD5) ........................................................... 64 Hình 2.12. Mô hình HSD năng lượng phá hủy (HSD6) ........................................................... 64 Hình 2.13. Hình dạng phần tử SOLID185 [25] ...................................................................... 66 Hình 2.14. Hình dạng phần tử LINK180 [25] ......................................................................... 66 Hình 2.15. Hình dạng phần tử COMBIN39 và đường cong lực – chuyển vị [25] .................. 67 Hình 3.1. Đường quan hệ tải trọng – độ võng thí nghiệm uốn 4 điểm [7] ............................... 70 Hình 3.2. Đường quan hệ tải trọng – độ võng thí nghiệm uốn 3 điểm [7] ............................... 70 Hình 3.3. Cường độ chịu kéo sau nứt thí nghiệm uốn 3 điểm .................................................. 72 Hình 3.4. Quan hệ ứng suất – độ mở rộng vết nứt thí nghiệm uốn 3 điểm .............................. 72 Hình 3.5. Đường quan hệ ứng suất – biến dạng nén UHPC .................................................... 74 Hình 3.6. Đường quan hệ ứng suất – biến dạng kéo UHPC .................................................... 75 Hình 3.7. Quan hệ ứng suất – biến dạng kéo và nén UHPC .................................................... 76 Hình 3.8. Sự phân bố biến dạng và ứng suất trên tiết diện ngang dầm I - UHPC ................... 77 Hình 3.9. Biểu đồ mô men – độ cong trên tiết diện ngang dầm I - UHPC ............................... 79 Hình 3.10. Phân bố biến dạng, ứng suất trên tiết diện ngang dầm I - UHPC ......................... 79 Hình 3.11. Phân bố biến dạng, ứng suất trên tiết diện ngang dầm I - UHPC ......................... 80 Hình 3.12. Sự phân bố biến dạng và ứng suất trên tiết diện ngang dầm T - UHPC ................ 81 Hình 3.13. Biểu đồ mô men – độ cong trên tiết diện ngang dầm T - UHPC ............................ 83 Hình 3.14. Phân bố biến dạng, ứng suất trên tiết diện ngang dầm T - UHPC ........................ 83 Hình 3.15. Phân bố biến dạng, ứng suất trên tiết diện ngang dầm T - UHPC ........................ 84 Hình 3.16. Sự phân bố ứng suất khối tương đương trên tiết diện dầm T - UHPC. .................. 85 Hình 3.17. Mối quan hệ giữa hệ số 𝛼1 và cường độ chịu nén 𝑓𝑐′. .......................................... 88 viii Hình 3.18. Mối quan hệ giữa hệ số 𝛽1 và cường độ chịu nén 𝑓𝑐′. .......................................... 89 Hình 3.19. Mối quan hệ giữa hệ số 𝛽2 và cường độ chịu nén 𝑓𝑐′. .......................................... 89 Hình 4.1. Kết quả mô phỏng số phân tích biến dạng đàn hồi của mẫu...........