Nghiên cứu gia cường kết cấu bê tông cốt thép bằng tấm composite ứng dụng cho công trình thủy lợi (tt)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

VIỆN KHOA HỌC THỦY LỢI VIỆT NAM


NGUYỄN CHÍ THANH

NGHIÊN CỨU GIA CƯỜNG KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP
BẰNG TẤM COMPOSITE - ỨNG DỤNG CHO CÔNG TRÌNH
THỦY LỢI
Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình thủy
Mã số: 62–58–02–02

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI –2017


Công trình được hoàn thành tại:
VIỆN KHOA HỌC THỦY LỢI VIỆT NAM

Người hướng dẫn khoa học:
1. GS.TS Lê Mạnh Hùng
2. GS.TS Phạm Ngọc Khánh

Phản biện 1:
Phản biện 2:
Phản biện 3:
Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Viện

Họp tại Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam
171 Tây Sơn – Đống Đa – Hà Nội
vào hồi

giờ 00, ngày tháng

năm 2017

Có thể tìm hiểu luận án tại:
- Thư viện Quốc gia Hà Nội
- Thư viện Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam


1
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Trong kết cấu công trình thủy lợi (CTTL), sự xâm thực của môi
trường đã làm cho nhiều công trình có kết cấu bằng bê tông cốt thép
như cáccống dưới đê, đập,… xuống cấp nghiêm trọng, không đảm
bảo tuổi thọ thiết kế. Ngoài ra, những thay đổi do yêu cầu sử dụng
thường có xu hướng bất lợi đối với kết cấu công trình hiện hữu đòi
hỏi việc thực hiện các giải pháp sửa chữa, nâng cấp hoặc thậm chí
thay mới kết cấu công trình. Việc nghiên cứu các giải pháp công
nghệ sửa chữa, gia cường để duy trì và phục hồi sự làm việc bình
thường của kết cấu công trình thủy lợi bằng bê tông cốt thép là một
yêu cầu cấp thiết.
Gần đây, ở nước ta bắt đầu tiếp cận một giải pháp gia cường kết
cấu công trình bê tông cốt thép (BTCT) bằng tấm vật liệu composite
sợi các bon, thủy tinh và aramid. Tuy nhiên, việc nghiên cứu về giải
pháp gia cường: dùng loại vật liệu nào, dán bao nhiêu lớp, dán theo

phương pháp nào, kích thước bao nhiêu là phụ thuộc vào tình trạng
chịu lực, tình trạng phá hủy của kết cấu. Nghiên cứu về ứng xử của
kết cấu sau khi gia cường vẫn còn nhiều thách thức, đặc biệt là về
các trạng thái phá hủy của kết cấu mới thường đột ngột (phá hoại
giòn do phá hoại lớp keo dính bám hoặc bóc tách lớp bê tông bảo vệ)
nên việc kiểm soát ứng xử của kết cấu vẫn còn là một thách thức.
Việc xác định ứng xử của hệ thống kết cấu trước và sau khi gia
cường dưới tác dụng của tải trọng cũng như sức chịu tải của nó là rất
cần thiết, không chỉ ảnh hưởng trực tiếp đến việc lựa chọn mức độ và
phương án gia cường mà còn giúp việc quản lý khai thác được hiệu
quả về kỹ thuật và kinh tế.
2. Mục đích nghiên cứu
Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng chịu lực của kết
cấu bê tông cốt thép được gia cường bằng tấm composite ứng dụng
cho công trình thủy lợi. Đề xuất cơ sở cho việc xây dựng qui trình và
phương pháp tính toán thiết kế gia cường kết cấu bê tông cốt thép
bằng tấm composite.
3. Phương pháp nghiên cứu
Luận án sử dụng nhiều phương pháp nghiên cứu khác nhau nhằm
khai thác hiệu quả những điểm mạnh của từng phương pháp. Các kết
quả thu được từ các phương pháp bổ sung cho nhau và khẳng định


2
tính đúng đắn về khoa học của kết quả nghiên cứu. Những phương
pháp sử dụng trong luận án gồm: nghiên cứu tài liệu, mô hình vật lý,
thực nghiệm hiện trường và mô hình toán.
4. Phạm vi và đối tượng nghiên cứu
Luận án nghiên cứu ứng xử của kết cấu bê tông cốt thép các công
trình thủy lợi, cấu kiện dầm, tấm và bản với việc sử dụng vật liệu gia

cường từ nhà sản xuất Fyfe với chủng loại SEH-25A có bề dày
0,635mm, cường độ chịu kéo 521 MPa, mô đun đàn hồi 26,1 GPa và
độ dãn dài cực hạn 2%. Keo dính có cường độ chịu kéo là 72,4 MPa,
mô đun đàn hồi 3,18 GPa và độ dãn dài 5,0%.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án
- Luận án đã làm rõ các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả gia
cường kết cấu BTCT công trình thủy lợi bằng tấm composite.
- Kết quả nghiên cứu đóng góp cơ sở khoa học cho việc tiến
tới xây dựng quy trình thiết kế gia cường kết cấu BTCT bằng tấm
composite phục vụ nâng cấp, sửa chữa công trình thủy lợi.
6. Những đóng góp mới của luận án
1) Luận án đã xây dựng được quan hệ giữa khả năng chịu lực của
kết cấu (chuyển vị và tải trọng giới hạn) với mức độ gia cường khác
nhau; đã xây dựng quan hệ giữa khả năng chịu lực của kết cấu gia
cường với các tham số ảnh hưởng như: cường độ bê tông, hàm lượng
cốt thép và chiều dày lớp bê tông bảo vệ.
2) Luận án đã đề xuất được công thức tính toán sức kháng cắt có
xét tới khoảng cách đoạn không gia cường cho kết cấu dạng tấm bản
không cốt đai; Công thức này cho phép quyết định phạm vi gia
cường nhanh chóng và đơn giản hơn các công thức hiện có.
3) Luận án đã ứng dụng kết quả nghiên cứu để gia cường kết cấu
cho cống dưới đập hồ Liệt Sơn, thi công trong điều kiện ẩm ướt,
cường độ của bê tông thấp. Luận án đã đề xuất các khuyến cáo kỹ
thuật phục vụ cho việc xây dựng qui trình và phương pháp tính toán
thiết kế gia cường kết cấu bê tông cốt thép bằng tấm composite ứng
dụng cho công trình thủy lợi.
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU GIA CƯỜNG
KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP BẰNG TẤM COMPOSITE
1.1Hiện trạng hư hỏng kết cấu BTCTcông trình thủy lợi
Các kết cấu BTCT công trình thủy lợi như cống dưới đê đập, cầu

máng dẫn nước, các đường hầm tuy nen,…sau một thời gian sử dụng


3
thường xuất hiện các vết nứt, rỗ bề mặt, bê tông bị bào mòn do dòng
chảy, xuất hiện các hiện tượng nhũ vôi, hoặc hư hỏng ở các bộ phận
nối tiếp giữa các kết cấu trong giai đoạn thi công. Hậu quả là xuất
hiện dòng thấm, rò rỉ qua công trình, làm suy giảm khả năng chịu lực
của công trình, dẫn đến làm ảnh hưởng đến mức độ an toàn và quá
trình khai thác, vận hành của công trình. Ở nước ta, có khoảng 7000
hồ chứa nước thủy lợi và thủy điện đã được xây dựng; trong đó, số
lượng công trình được xây dựng cách đây từ 20-30 năm chiếm
khoảng 80% và hầu hết các cống dưới đập đã có biểu hiện xuống cấp
từ nhẹ đến nặng; mặt khác, đối với kết cấu cống dưới đê, đập, do nhu
cầu nâng cấp mở rộng mặt cắt đê, đê kết hợp giao thông, hay các hồ
chứa cần nâng cao trình đập để tăng dung tích trữ, làm gia tăng tải
trọng lên công trình dẫn đếnyêu cầu về sửa chữa, gia cường cống
dưới đê đập ngày càng lớn. Do đặc điểm về địa lý, mức độ xâm thực
của môi trường ở nước ta là rất lớn;theo một số nghiên cứu cho thấy
hầu hết các công trình vùng ven biển đều bị ăn mòn phá hủy ở mức
độ trung bình đến nặng, các công trình đều bị xuống cấp do sự ăn
mòn phá hủy sau khoảng 5-10 năm đưa vào sử dụng. Đây là một
thách thức lớn trong việc giải quyết bài toán kinh tế - kỹ thuật và làm
nhức nhối các kỹ sư xây dựng, các nhà nghiên cứu cũng như các nhà
quản lý công trình ở nước ta. Ngoài các công trình cống dưới đập,
các công trình thủy lợi khác bằng bê tông cốt thép như công trình cầu
máng dẫn nước, các dàn van, cầu công tác trên cống,… với số lượng
hàng nghìn chiếc cũng đang trong tình trạng xuống cấp; kết cấu bị
nứt, rỗ, bong tróc, bê tông thấm nước làm suy giảm sức chịu tải, ảnh
hưởng đến điều kiện làm việc bình thường của công trình. Các công

trình này đang cấp thiết cần được sửa chữa, gia cường để đảm bảo
yêu cầu khai thác là khả năng chịu lực và điều kiện khai thác.
1.2 Phương pháp gia cường kết cấu bằng tấmcomposite
Trước đây khoảng 40 năm người ta đã biết đến việc gia cường
sức kháng uốn của kết cấu bằng phương pháp dán bản thép. Do kết
cấu thép dễ bị rỉ nên sau một thời gian khai thác, lực bám dính suy
giảm, dẫn đến kết cấu làm việc không được an toàn. Khoảng 20 năm
gần đây, việc sử dụng vật liệu gia cường cốt sợi phi kim đã thay thế
dần các bản thép. Trong các vật liệu cốt sợi thì vật liệu sợi các-bon
có các đặc tính tốt hơn về cường độ chịu lực cũng như mô đun đàn
hồi so với các vật liệu cốt sợi khác như thủy tinh và aramid (hình
1.2). So sánh với các phương pháp gia cố truyền thống, sử dụng tấm


4
vật liệu composite thể hiện nhiều lợi thế về hiệu quả chịu lực và điều
kiện thi công. Vật liệu composite có ưu điểm là nhẹ, không bị rỉ và
có cường độ chịu kéo cao. Hơn nữa, những vật liệu này có thể được
thi công nhanh chóng theo một số hình dạng tạo thành các tấm
composite có thể uốn cuộn phù hợp với các bề mặt của cấu kiện. Các
tấm vật liệu composite có bề dày tương đối mỏng có thể thỏa mãn
yêu cầu về mặt kiến trúc cũng như những tiêu chí khác liên quan.
Ngoài ra, chiều cao kết cấu được giữ nguyên và tĩnh tải gia tăng
không bị ảnh hưởng. Gia cường bằng tấm composite cũng có những
điểm hạn chế như: so với giải pháp gia cường bằng các tấm thép thì
vật liệu này đắt hơn; không thích hợp cho kết cấu chịu nhiệt vì dưới
tác dụng của nhiệt độ cao các keo dính có nhiều vấn đề.
Ứng suất (MPa)

1000

Carbon FRP
Glass FRP
Thép

500

0

0.015

0.03

Biến dạng

Hình 1.2: Ứng suất-biến dạng vật liệu cốt sợi carbon và sợi thủy tinh
1.3Tình hình nghiên cứu về gia cường kết cấu BTCT bằng tấm
composite
Phương pháp gia cường bằng cách dán tấm composite được phát
triển nhằm thay thế cho phương pháp dán bản thép (thường được sử
dụng trong công tác gia cường kết cấu công trình cầu). Đối với công
trình thủy lợi, do đặc điểm làm việc trong môi trường nước nên độ
ẩm trong kết cấu rất cao, chất keo dính thông thường không đáp ứng
được trong môi trường độ ẩm như vậy, nên việc ứng dụng trong công
trình thủy lợi rất hạn chế vì chỉ có rất ít sản phẩm đáp ứng được điều
kiện này. Có rất ít thông tin trình bày về việc ứng dụng phương pháp
gia cường này trong công trình thủy lợi.


5

1.4 Vấn đề nghiên cứu trong luận án
Trên cơ sở phân tích những vấn đề còn tồn tại trong tình hình
nghiên cứu về phương pháp gia cường kết cấu BTCT trong công
trình thủy lợi với công nghệ dán lớp vật liệu composite, luận án sẽ đi
vào việc trả lời các câu hỏi nghiên cứu (vấn đề nghiên cứu) sau đây:
(a) Ứng xử chịu tải của kết cấu công trình bê tông cốt thép sau khi
gia cường sẽ như thế nào?
(b) Khả năng thi công, bám dính trong môi trường ẩm ướt và độ
bền lớp kết dính giữa bê tông và vật liệu gia cường?
(c) Hiệu quả về mặt chịu lực cũng như độ bền khai thác của CTTL
khi ứng dụng phương pháp gia cường kết cấu này ?
(d) Khả năng ứng dụng phương pháp đối với công trình thủy lợi ?
(e) Ảnh hưởng của cường độ bê tông đến hiệu quả gia cường ?
(f) Ảnh hưởng của hàm lượng cốt thép đến hiệu quả gia cường ?
(g) Ảnh hưởng bề dày lớp bê tông bảo vệ đến hiệu quả gia cường ?
(h) Khả năng gia cường sức kháng cắt cho bản bê tông cốt thép
không cốt đai ?
(i) Số lớp vật liệu gia cường nên chọn là bao nhiêu ?
(j) Phương pháp PTHH có phản ánh được chính xác ứng xử của kết
cấu bê tông trước và sau khi gia cường?
Chương 2: CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA VIỆC GIA CƯỜNG KẾT
CẤU BTCT BẰNG TẤM COMPOSITE
2.1 Ứng xử của kết cấu BTCT khi chịu tải trọng
Dưới tác dụng của tải trọng thì kết cấu bê tông cốt thép có ứng xử
phi tuyến. Điều này xuất phát từ đặc tính cố hữu của vật liệu. Để mô
tả ứng xử của các vật liệu này, thông thường được thể hiện thông qua
quan hệ giữa độ lớn của ứng suất - biến dạng hoặc lực - chuyển vị,
những quan hệ này có thể xác định thông qua các thí nghiệm thích
hợp.
2.2 Tính toán kết cấu BTCT bằng phương pháp số

2.2.1 Cơ sở khoa học
Để nghiên cứu ứng xử chịu tải của kết cấu bê tông cốt thép được
gia cường bằng tấm composite thì ngoài phương pháp thực nghiệm,
phương pháp mô phỏng số cũng được sử dụng. Phương pháp này cho
phép khảo sát nhiều tham số ảnh hưởng giúp cho việc phân tích ứng
xử của kết cấu được đầy đủ. Ưu điểm nổi bật của phương pháp số là


6
cho phép giảm rất nhiều chi phí so với việc sử dụng phương pháp
thực nghiệm với nhiều mẫu thử.
Về cơ sở khoa học, phương pháp số được phát triển dựa vào các
lý thuyết cơ học và liên tục được kiểm chứng bởi các kết quả thí
nghiệm. Tùy theo từng điều kiện chịu lực của kết cấu, các lý thuyết
tính toán có thể phát huy được tính ưu việt của mình một cách thích
hợp. Phân tích phi tuyến trong kết cấu bê tông cốt thép (vật liệu và
hình học) là phân tích có những thách thức rất lớn đối với các nhà
nghiên cứu và các kỹ sư kết cấu. Một trong những điểm mấu chốt là
bản thân vật liệu bê tông cốt thép có nhiều đặc tính ngẫu nhiên với
biên độ phân tán lớn. Trạng thái chịu lực của kết cấu rất đa dạng.
Ưu điểm của phương pháp số là tranh thủ được những tiến bộ
khoa học của nhiều nghiên cứu từ trước tới nay. Những tri thức này
liên tục được bổ sung, tích lũy trong các mô hình tính toán. Điều này
cũng cho thấy, nếu chỉ sử dụng một số kết quả nghiên cứu thực
nghiệm riêng biệt làm cơ sở để nghiên cứu các kết cấu khác nhau, ví
dụ cho các công trình thủy lợi, thì cách thức này thể hiện một hạn
chế lớn và thậm chí có thể dẫn tới những kết quả sai lệch.
Đây chính là lý do luận án lựa chọn phương pháp phân tích số là
công cụ cũng như cách tiếp cận chính để phân tích, nghiên cứu ứng
xử của kết cấu bê tông cốt thép được gia cường bằng tấm composite.

Trong khuôn khổ luận án này, để xây dựng cơ sở khoa học cho việc
tính toán kết cấu các CTTL bằng BTCT được gia cường bằng tấm
composite, một số bài toán tính toán cơ bản được sử dụng nhằm
kiểm định mô hình tính. Đó là: bài toán dầm chịu tải trọng tập trung,
bản chịu tải trọng tập trung, dầm chịu tải trọng phân bố, và kết cấu
có chiều cao rất lớn. Như đã phân tích ở chương 1, các bài toán này
phản ánh những yêu cầu nghiên cứu, đánh giá quan trọng nhằm đánh
giá khả năng ứng dụng của phương pháp trong công trình thủy lợi.
Để đạt được mục đích trên, phần này được thực hiện với nội dung
sau: 1) kiểm tra mức độ chính xác của phương pháp số so với thực
nghiệm và 2) tiến hành tính toán với nhiều trường hợp mà thực
nghiệm không thể thực hiện được, nhằm mục đích nghiên cứu đánh
giá tình trạng chịu lực của kết cấu trước và sau khi gia cường để thiết
kế phương án gia cường và kiểm tra kết quả sau gia cường.
2.2.2 Phần mềm phân tích PTHH
Trong những phần mềm phân tích PTHH ứng dụng cho kết cấu bê
tông cốt thép, ATENA thể hiện độ chính xác cao ứng xử của kết cấu


7
so với kết quả thí nghiệm cho kết cấu bê tông cốt thép có gia cường
với việc sử dụng mô hình bê tông Nonlinear 2 và mô hình đa mặt
nhỏ (microplane). Để mô phỏng kết cấu, ATENA cho phép mô
phỏng 2 chiều (bài toán phẳng) hoặc 3 chiều (bài toán không gian) và
hoàn toàn thích hợp cho kết cấu CTTL như kết cấu cống dưới đê đập,
kết cấu cầu máng được gia cường bằng tấm composite.Với những
ưu điểm trên, cùng với kinh nghiệm riêng của tác giả, phần mềm
ATENA được lựa chọn để thực hiện các nghiên cứu phân tích cơ học
trong khuôn khổ luận án này.
2.4 Kiểm định kết quả tính toán bằng phần mềm ATENA

Trong phần này trình bày một tính toán và so sánh với kết quả thí
nghiệm cho một dầm bê tông lớn nhất hiện nay (được thí nghiệm
trong phòng) chịu tải trọng tập trung. Thí nghiệm này được thực hiện
ở Toronto (Canada) vào tháng 5, 2015. Đây là dầm bê tông nhịp giản
đơn có bề rộng 0,25m, chiều cao 4m, chiều dài nhịp 19m chịu tải
trọng tập trung tại vị trí cách gối đầu tiên là 7m. Kết cấu có cốt thép
dọc chịu kéo gồm 9 thanh đường kính 30mm và ở vùng bê tông chịu
nén gồm 3 thanh đường kính 20mm. Mục tiêu của thí nghiệm là về
sức kháng cắt cho cấu kiện không có cốt đai nên một bên dầm được
bố trí cốt đai và một bên không bố trí cốt đai. Ngoài tải trọng bản
thân, tải trọng tập trung lớn nhất tác động mà kết cấu chịu được (khi
thí nghiệm) có giá trị là 685 kN.
Với việc mô phỏng PTHH cho kết cấu này thông qua chương
trình ATENA, sơ đồ PTHH cũng như kết quả phân tích vết nứt như
trên hình 2.15. Các vết nứt từ kết quả tính toán tương đồng với vết
nứt từ kết quả thí nghiệm. Vết nứt cắt xuất phát từ các vết nứt uốn
phát triển theo phương xiên đi vào vùng bê tông chịu nén theo hướng
về phía vị trí tải trọng tập trung tác dụng.

Hình 2.15: Hình ảnh thí nghiệm và cấu tạo của dầm
Theo kết quả thí nghiệm, chuyển vị ứng với tải trọng lớn nhất là
10,5mm, trong khi theo kết quả tính toán, giá trị này là 10,2mm.Kết
quả tính toán cho thấy lực tập trung lớn nhất theo kết quả tính toán là


8
672,2 kN. Chênh lệch so với kết quả thí nghiệm là 1,8%. Như vậy,
kết quả này cũng minh chứng rằng việc sử dụng mô hình phân tích
số (ATENA) cũng có thể áp dụng cho kết cấu lớn.
2.5 Ứng xử của kết cấu BTCT gia cường bằng tấm composite

Kết cấu BTCT gia cường bằng tấm composite về cơ bản có ứng
xử tương tự như kết cấu BTCT thuần túy. Lớp vật liệu gia cường có
cường độ cao đóng vai trò là vật liệu tăng cường cho vùng chịu kéo
của kết cấu bê tông. Do kết cấu BTCT thường được thiết kế tối ưu về
điều kiện chịu lực, có nghĩa là ở trạng thái giới hạn cốt thép ở thớ
chịu kéo bị chảy và bê tông vùng chịu nén đạt tới biến dạng nén giới
hạn, nên việc bổ sung thêm vật liệu chịu kéo sẽ làm thay đổi quan hệ
về mặt sức kháng giữa vùng nén và kéo. Kết cấu sau gia cường bên
cạnh có sự gia tăng cường độ chịu lực thì cũng có sự suy giảm về độ
dẻo dẫn tới kết cấu có xu hướng bị phá hoại dòn. Do đó, việc gia
cường kết cấu cần cân nhắc giữa hiệu quả về mặt gia cường về sức
kháng trên cơ sở cho phép kết cấu vẫn đảm bảo cấp độ dẻo cần thiết
để tránh kết cấu có thể bị phá hoại đột ngột.
Chương3: CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN HIỆU QUẢ GIA
CƯỜNG KẾT CẤU BTCT BẰNG TẤM COMPOSITE
3.1 Nghiên cứu ứng xử của kết cấu BTCT gia cường bằng tấm
composite theo phương pháp thực nghiệm
Trong chương này sẽ trình bày một số thí nghiệm trong phòng để
nghiên cứu ứng xử cơ bản của cấu kiện BTCT (uốn và cắt) được gia
cường bằng lớp vật liệu composite do tác giả thực hiện. Vì mục tiêu
của luận án nghiên cứu hướng tới việc ứng dụng phương pháp gia
cường trong CTTL, nên các mẫu được sử dụng trong thực hiện thí
nghiệm là kết cấu bản và dầm BTCT. Kết cấu bản thể hiện sự làm
việc theo diện rộng, phản ánh các cấu kiện thành cống, trần cống
cũng như bản đáy của cống. Do sự hạn chế của thiết bị thí nghiệm
nên không thể cho phép thực hiện thí nghiệm với bản rộng và dày, do
vậy trong nghiên cứu thí nghiệm có thực hiện thêm các thí nghiệm về
dầm có chiều cao tương xứng với kết cấu bản của cống trong thực tế
và với độ mảnh đủ lớn. Thí nghiệm uốn 4 điểm được thực hiện với
dầm và bản theo sơ đồ dầm giản đơn; mẫu thí nghiệm được đặt lên

hai gối tựa. Tải trọng tập trung được đặt đối xứng theo phương dọc
tại 2 điểm có khoảng cách tới gối bằng nhau. Khoảng cách giữa 2


9
điểm đặt lực bằng 1/3 chiều dài tính toán của mẫu thí nghiệm. Tùy
theo mức độ gia cường, loại keo dán, các điều kiện về vật liệu và tải
trọng, dự kiến thu được các phá hoại do uốn hoặc cắt đối với các
mẫu thí nghiệm này.
3.1.2 Thí nghiệm xác định ứng xử của dầm chịu uốn
Mục tiêu của thí nghiệm là phân tích ứng xử chịu tải của dầm
BTCT chịu uốn với sự tham gia của vật liệu gia cường composite
cho các mức độ gia cường khác nhau; nghiên cứu các ảnh hưởng của
một số tham số khác nhau tới sức chịu tải của kết cấu. Trong phần
này trình bày kết quả nghiên cứu của 6 dầm BTCT được gia cường
với các mức độ khác nhau. Các thông số của chương trình thí nghiệm
được trình bày trong Bảng 3.1.
Bảng 3.1: Các thông số của mẫu thí nghiệm
Mặt cắt
Dầm
Cốt
Bề dày
Số lớp gia
Cốt đai
2
số
dọc
BT
bảo
vệ

cường
(cm )
D01

15x25

414

6/120mm

20mm

-

D02

15x25

414

6/120mm

20mm

1

D03

15x25

414

6/120mm

20mm

2

D04

15x25

414

6/120mm

20mm

3

D05

15x25

414

6/120mm

20mm

4

D06
15x25
20mm
5
414 6/120mm
Nghiên cứu sức kháng uốn của dầm bê tông gia cường bằng tấm
composite được nghiên cứu với mẫu thí nghiệm dầm có mặt cắt hình
chữ nhật kích thước 150mm x 250mm và chiều dài nhịp uốn là 3,0m.
Tất cả các dầm được chế tạo cùng một loại công thức bê tông. Cường
độ nén trung bình của mẫu bê tông hình trụ là 37 MPa. Dầm đầu tiên
không sử dụng tấm gia cường composite và được dùng để làm dầm
đối chứng cho các dầm khác. Tất cả các dầm đều sử dụng cùng một
loại cốt thép có cường độ 290 MPa. Đường kính của thép dọc chủ là
14mm, và của thép đai là 6mm. Cốt đai được bố trí dày hơn ở 1/3
dầm với bước đai 120mm, ở giữa dầm với bước đai là 200mm. Bề
dày lớp bê tông bảo vệ là 20mm.
Trong các thí nghiệm được thực hiện ở nghiên cứu này, các tấm
gia cường composite được lấy từ nhà cung cấp Fyfe với chủng loại
SEH-25A.Việc lựa chọn vật liệu gia cườngmang tính chất minh họa


10
và điển hình; việc quyết định lựa chọn vật liệu gia cường chỉ dựa vào
sự thuận lợi và hiệu quả kinh tế trong việc đặt hàng cung ứng, hoàn
toàn có thể lựa chọn các vật liệu tương tự ở những nhà sản xuất khác.
Kết quả thí nghiệm và thảo luận
Kết quả thí nghiệm cho thấy, mức độ gia cường càng nhiều thì
sức chịu tải của kết cấu càng được cải thiện (Hình 3.6). Sức chịu tải

tăng tương đối tỷ lệ thuận với số lớp tấm gia cường được sử dụng.
Tuy nhiên, sự chênh lệch về sức chịu tải giữa các trường hợp 4 và 5
lớp gia cường là không lớn. Lý do là bê tông vùng chịu nén đã đạt tới
ranh giới phá hoại nên việc tăng thêm mức gia cường (như ở dầm
D06) không đem lại hiệu quả nữa. Luận án kiến nghị hạn chế sử
dụng nhiều lớp gia cường. Với loại bê tông có cường độ chịu nén
như các dầm thí nghiệm thì số lớp gia cường tối đa nên là 2. Trong
trường hợp kết cấu đòi hỏi cường độ vật liệu gia cường lớn, thì nên
lựa chọn vật liệu gia cường có mô đun đàn hồi lớn (ví dụ như cốt sợi
các-bon) nhằm giảm số lớp gia cường.
120
100
80

78

2 lớp
tăng tải 60%

3 lớp
tăng tải 56%

80

104

64

60

50

40

Không
gia cường

1

2

3

4

5

5 lớp
tăng tải 108%

0

4 lớp
tăng tải 100%

20
1 lớp
tăng tải 28%

Tải trọng tới hạn (kN)

100

6

Sự gia tăng sức chịu tải (%) so với mẫu không gia cường

Hình 3.6: Hiệu quả gia cường của các dầm
Với việc gia cường bằng tấm composite, sức chịu tải của dầm
BTCT được gia tăng lên đáng kể. Trong phạm vi thí nghiệm này, giá
trị chịu lực tới hạn của dầm tăng lần lượt là khoảng 30, 60 và 100%
tương ứng với mức gia cường 1 lớp, 2 lớp và 4 lớp vật liệu
composite.


11
3.1.3. Thí nghiệm xác định ứng xử của tấm chịu uốn
Trong phần này trình bày kết quả nghiên cứu ứng xử của 4 bản
BTCT trong đó có 3 bản được gia cường 2 lớp vật liệu composite ở
mặt dưới với kiểu bố trí trực hướng. Sức kháng uốn của bản bê tông
được gia cường bằng tấm composite được nghiên cứu với mẫu thí
nghiệm có kích thước bề rộng 600mm, dài 1000mm và dày 60mm.
Để phản ánh trường hợp bất lợi của chất lượng bê tông đối với kết
cấu thực tế khi bị suy giảm, bê tông được chọn có mác M20 (20
MPa). Một bản không sử dụng bản gia cường tấm composite và được
dùng để làm đối chứng. Đường kính của thép dọc và ngang là 6mm
với bước cốt thép 150mm. Bề dày lớp bê tông bảo vệ là 10mm. Các
kích thước hình học cũng như việc bố trí cốt thép của mẫu thí
nghiệm được thể hiện trên Hình 3.7.
1000mm

6/150mm

260mm

600mm

350mm

CV

Điểm truyền tải

Gối di động

60mm

Hình 3.7: Mô hình thí nghiệm và các điểm đo chuyển vị và biến dạng
Kết quả thí nghiệm
Đối với bản không gia cường, dạng phá hủy là do mô men uốn.
Ngay vị trí đặt tải có tải trọng cục bộ đồng thời cũng là vị trí có mô
men lớn nhất và trong trường hợp thí nghiệm bản không gia cường
đã bị phá hủy tại vị trí này ứng với tải trọng P = 16,8 kN. Cốt thép bị
chảy dẻo trong khi bê tông vùng nén vẫn còn có thể chịu lực được.
Không giống như trường hợp với bản B01, các bản có gia cường
lớp vật liệu composite bị phá hoại do sự bong bật của lớp gia cường
tại vị trí có mô men và lực cắt đều lớn. Toàn bộ các bản B02, B03,
B04 đều có dạng phá hoại này. Việc gia cường cũng có tác dụng làm
hạn chế vết nứt, cũng như khả năng chống nứt. Đối với kết cấu
không gia cường, tải trọng tương ứng với vết nứt đầu tiên là 5kN,

trong khi với kết cấu gia cường thì giá trị này là 10kN.


12
.

Liên kết giữa bản gia cường
và bê tông bắt đầu bị phá vỡ

Vết nứt bị mở rộng
ở trạng thái phá hoại

a) Trạng thái phát triển vết nứt

a) Trạng thái phá hoại

Hình 3.10: Dạng phá hoại của bản gia cường
Các quan hệ chuyển vị - tải trọng của các bản này được thể hiện
trên Hình 3.11. Các đường cong quan hệ giữa chuyển vị và tải trọng
có cùng một dạng và giá trị tải trọng tới hạn cũng như chuyển vị tới
hạn xấp xỉ bằng nhau. Giá trị trung bình của tải trọng tới hạn là xấp
xỉ 50 kN, của chuyển vị là 11mm. Như vậy, kết cấu bản được gia
cường có sức chịu tải lớn xấp xỉ bằng ba lần so với kết cấu không gia
cường (300%). Nếu cùng một mức tải trọng, ví dụ như 15 kN trong
trường hợp thí nghiệm này, thì chuyển vị của bản gia cường chỉ bằng
10% bản không được gia cường (1,5mm so với 15mm).
60
Bản B01 (không gia cường)
Bản B02 (gia cường 2 lớp)
Bản B03 (gia cường 2 lớp)

Bản B04 (gia cường 2 lớp)

Tải trọng (kN)

50
40
30
20
10
0
0

10

20

30

40

Chuyển vị tại giữa tấm (mm)
Hình 3.11: Biểu đồ quan hệ chuyển vị-tải trọng ở vị trí giữa bản
Để có thể khảo sát và phân tích đầy đủ hơn ứng xử của bản BTCT
được gia cường bằng tấm composite, các thí nghiệm sau cần tập
trung vào xem xét sự ảnh hưởng của hàm lượng cốt thép thường, ảnh
hưởng của cường độ bê tông, vị trí tác dụng của tải trọng cũng như
sự dính bám giữa bê tông và lớp vật liệu gia cường; do điều kiện kỹ


13

thuật và kinh tế, phương pháp mô phỏng số được sử dụngcho các
nghiên cứu này.
3.2 Nghiên cứu ứng xử của kết cấu BTCT gia cường bằng tấm
composite theo phương pháp số
Các thí nghiệm về các kết cấu dầm và bản thực đã trình bày trong
phần trên được phân tích trên cơ sở mô phỏng PTHH với chương
trình ATENA. Trong mô phỏng số sử dụng các số liệu về kích thước
hình học, vật liệu và tải trọng theo số liệu ở mục 3.1 nghiên cứu theo
phương pháp thực nghiệm.
3.2.1 Kết cấu dầm
Kết cấu dầm chịu uốn theo sơ đồ 4 điểm. Dưới tác dụng của tải
trọng, dầm có ứng xử uốn với các vết nứt thẳng đứng đi từ phía dưới
lên trên. Các vết nứt sâu ở khu vực giữa dầm và ít hơn ở khu vực đầu
dầm. Khi dầm được gia cường ở khu vực bụng dầm, các vết nứt tập
trung tại vị trí đầu dầm và xuất phát ở phía hai gối. Đây là các vết
nứt xiên do lực cắt và uốn đồng thời gây ra. Phá hoại cắt được phản
ánh trong phân tích số. Kết quả tính toán chuyển vị và vết nứt hoàn
toàn phù hợp với kết quả phân tích thực nghiệm vật lý.

Hình 3.14: Biểu đồ phân bố vết nứt và bề rộng vết nứt của dầm.
3.2.2 Kết cấu bản
Kết quả tính toán ứng suất trong cốt thép tại trạng thái cực hạn
được thể hiện như trên hình 3.22.Có thể thấy rằng, mặc dù bản chịu
tải trọng tập trung (tại 4 điểm đối xứng) nhưng bản thể hiện ứng xử


14
uốn một phương rất rõ rệt. Kết quả phân tích ứng suất trong cốt thép
chỉ ra rằng theo phương ngang ứng suất gần như không thay đổi.

Hình 3.22: Ứng suất trong cốt thép của bản trước khi gia cường
Từ những nhận xét trên, có thể thấy rằng việc mô phỏng 2 chiều
cho bản là hoàn toàn hợp lý về mặt cơ học.Tải trọng phá hoại tính
toán trước và sau gia cường đều phù hợp với giá trị từ kết quả thí
nghiệm.Kết quả so sánh biến dạng tính toán và thí nghiệm được thể
hiện như trên hình 3.30.

Mặt trên (nén)

Mặt dưới (kéo)

Hình 3.30: Biến dạng tại vị trí giữa bản phụ thuộc vào tải trọng
3.3 Xây dựng công thức tính toán sức kháng cắt của kết cấu
BTCT gia cường chịu uốn
3.3.1 Sơ lược về sức kháng cắt
Sức kháng cắt của kết cấu BTCT có thể chia thành 2 phần: phần
sức kháng phụ thuộc chính vào bê tông và phần sức kháng được
quyết định bởi cốt đai chịu cắt. Đối với kết cấu dạng bản có chiều


15
dày nhỏ (dưới 250mm) thì các cốt thép đai thường không được sử
dụng do sự khó khăn trong cấu tạo và thi công. Trong trường hợp
này sức kháng cắt của cấu kiện phụ thuộc chính vào cường độ chịu
lực của bê tông và cốt thép dọc ở thớ chịu kéo của kết cấu. Luận án
tập trung nghiên cứu về sức kháng cắt của cấu kiện BTCT dạng bản
không cốt đai, vốn được sử dụng cho các công trình như cống dưới
đê đập, công trình cầu máng, cửa van,..

Hình 3.31: Cấu kiện bản được gia cường bằng vật liệu tấm composite

Khi thực hiện việc gia cường, nâng cao sức chịu uốn của các cấu
kiện này bằng phương pháp dán lớp vật liệu composite cường độ cao
ở mặt chịu kéo, thường việc dán này không thể kín hết toàn bộ bề
mặt, ví dụ như hình 3.31.Từ kết quả thí nghiệm dầm, bản gia cường
chịu uốn ở trên có thể thấy khi thực hiện việc gia cường kết cấu bằng
phương pháp này, sức chịu kháng uốn của kết cấu được cải thiện một
cách rõ ràng. Tuy nhiên, việc đánh giá sức chịu cắt của kết cấu được
gia cường hiện vẫn còn bỏ ngỏ hoặc chưa rõ ràng trong các qui trình
cũng như tiêu chuẩn kỹ thuật.
3.3.2 Đề xuất công thức tính toán mới về sức kháng cắt cấu kiện
BTCT
Trong phần này trình bày kết quả nghiên cứu và đề xuất một công
thức tính toán mới cho sức kháng cắt của cấu kiện BTCT không cốt
đai được gia cường bằng tấm composite xét ảnh hưởng đoạn không
gia cường.Sức kháng cắt được đề xuất như công thức (3.7) cho
trường hợp xét cả vị trí tải trọng, với k g = 0,77 ∙ (a/Le )0,26 và aL =
4

(1−√ρl )

√

ρl

∙ d ∙ L3 như sau:

3d 1/3
(3.7)
) (100ρl fck )1/3 ∙ bd
aL

hoặc (3.8) cho trường hợp rút gọnvới k g2 = (d/Le )0,26 ≈ 4√d/Le .
Vcm = 0,2k g (1 + √200/d) ∙ (


16
(3.8)
Vcm = 0,2k g2 (1 + √200/d) ∙ (100ρl fck )1/3 ∙ bd
Để đánh giá độ chính xác của công thức, sử dụng kết quả thí
nghiệm do nhiều tác giả thực hiện với tổng số 59 dầm BTCT được
gia cường bằng tấm composite với các thông số khác nhau, công
thức mới (3.7), (3.8) và so sánh với kết quả thí nghiệm. Bảng dưới
đây trình bày kết quả đánh giá thông qua sai số mô hình η =
Vthínghiệm /Vtínhtoán .
Bảng 3.5: So sánh kết quả tính toán theo các công thức khác nhau
Công thức
Janzse (3.5)
(3.7)
(3.8)
1,031
1,020
1,000
Giá trị trung bình ηm =
Vtn /Vtt
0,719
0,765
0,749
Giá trị nhỏ nhất ηmin
1,416
1,338
1,331

Giá trị lớn nhất ηmax
0,161
0,146
0,146
Phương sai ση
Hiệp phương sai COV (%)
15,65
14,28
14,59
Ở trên, các công thức đều được tính với giá trị trung bình. Trong
tính toán thiết kế, giá trị này được triết giảm theo một hệ số an toàn.
Sức chịu tải thiết kế được tính như công thức (3.10) dưới đây:
1
200
Vcd = 0,1 ∙ 4√d/Le ∙ (1 + √
) ∙ (100ρl fck )3 ∙ bd
d

(3.10)

Với công thức tính toán đã đề xuất trên, việc kiểm toán sức chịu
cắt của kết cấu được gia cường bằng cách dán lớp vật liệu composite
chỉ ở mặt dưới được thực hiện dễ dàng với độ tin cậy cao hơn so với
công thức của Jansze.
3.4 Nghiên cứu yếu tố ảnh hưởng đến khả năng chịu uốn của kết
cấu được gia cường bằng tấm composite
Nhằm tạo thuận lợi cho việc so sánh, lựa chọn dầm bản bằng
BTCT để mô phỏng. Dầm bản có chiều dài 2500mm, bề dày 250mm,
bề rộng 1000mm, bề dày lớp bê tông bảo vệ 30mm, bê tông có
cường độ theo mẫu lăng trụ trung bình là 28 MPa, cường độ cốt thép

290 MPa (được chọn theo cường độ thường sử dụng trong công trình
BTCT ở Việt Nam) và hàm lượng cốt thép thớ được gia cường là
0,5%. Lớp gia cường được dán ở khu vực mặt dưới của dầm nhưng
chừa lại một khoảng dài 50mm tại khu vực sát gối. Tải trọng được
đặt cách gối một khoảng cách là 1000mm. Khi thực hiện việc khảo


17
sát, một số tham số trên của kết cấu được thay đổi nhằm thu được
các quan hệ cơ học về ứng xử của kết cấu.
Kết quả khảo sát
 Độ cứng lớp gia cường (mức độ gia cường): có ảnh hưởng quyết
định tới hiệu quả của việc gia cường. Độ cứng càng lớn thì sức
kháng kết cấu sau gia cường càng tăng.
 Cường độ bê tông: ảnh hưởng nhiều. Kết cấu có cường độ nén
của bê tông càng cao thì hiệu quả gia cường càng lớn.
 Chiều dày lớp bảo vệ: không nhiều và về cơ bản có thể bỏ qua.
 Hàm lượng cốt thép thường: nếu kết cấu có hàm lượng cốt thép
thường nhỏ thì hiệu quả gia cường sẽ lớn và ngược lại. Kết cấu có
hàm lượng cốt thép thường lớn hơn 2% thì phương pháp gia
cường bằng tấm composite không còn hiệu quả.
 Chiều dài đoạn không gia cường khu vực gần gối: khoảng cách từ
điểm cuối của lớp gia cường tới gối có ảnh hưởng quyết định tới
sức kháng cắt của kết cấu; khi chiều dài đoạn không gia cường
này lớn thì việc gia tăng sức kháng sẽ kém hiệu quả; Sự gia tăng
sức kháng cắt thấp hơn nhiều so với sức kháng uốn.
Chương 4: ÁP DỤNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀO TÍNH
TOÁN CHO CÔNG TRÌNH THỰC TẾ
4.1 Đặc điểm kết cấu và điều kiện làm việc của CTTL
Về mặt chịu lực, kết cấu CTTL bằng BTCT một mặt phải có đủ

khả năng chịu lực như mục tiêu của thiết kế (điều kiện về sức kháng)
và phải đảm bảo tuổi thọ khai thác (điều kiện khai thác). Dưới đây
trình bày những đặc điểm chính về mặt kết cấu và điều kiện làm việc
của hai loại CTTL điển hình bằng BTCT.
Công trình cống (bao gồm cống ngầm, cống lộ thiên, cống áp
lực,..): Công trình cống BTCT có mặt cắt ngang dạng tròn hoặc chữ
nhật. Cống thường chịu tải trọng nước trong lòng cũng như áp lực
đất và nước ở xung quanh. Các bộ phận của cống (thành, trần, đáy)
thường chịu tải trọng nén và uốn, cắt kết hợp. Ngoại trừ cống có
khẩu độ lớn, các công trình cống phổ biến thường chịu tải trọng nén
và uốn lớn. Công trình cống thường có hiện tượng suy giảm về chất
lượng trong quá trình khai thác do sự tác động trực tiếp của dòng
nước. Lớp bê tông tiếp xúc với nước thường bị bào mòn. Quá trình


18
thấm, xâm thực của nước có thể vượt qua bề dày của lớp bê tông bảo
vệ và gây rỉ đối với cốt thép chịu lực bên trong.Có thể kết cấu vẫn
đảm bảo yêu cầu chịu lực nhưng điều kiện khai thác lâu dài (tuổi thọ)
của kết cấu thường bị suy giảm khi cốt thép chịu lực bị rỉ nhiều. Do
vậy, để đảm bảo điều kiện khai thác, công trình cần sửa chữa, đặc
biệt là phải tăng cường duy trì sức kháng cho lớp bê tông bảo vệ
hoặc hạn chế thấm, xâm thực của nước tới lớp bê tông và cốt thép
chịu lực bên trong kết cấu.
Công trình cầu máng: công trình cầu máng là một phần của kết
cấu kênh khi cần dẫn nước qua một địa hình không bằng phẳng mà
phương án san nền có thể không hiệu quả hoặc yêu cầu hạn chế thay
đổi về địa hình. Trong CTTL, cầu máng thường được xây dựng từ
các nhịp giản đơn BTCT có mặt cắt chữ nhật hoặc chữ U. Tùy theo
đặc điểm tiếp xúc với môi trường cũng như qui mô và kích thước yêu

cầu, kết cấu cầu máng có thể có dạng bản mỏng (bê tông lưới thép)
hoặc có nhiều hệ thống dầm dọc, dầm ngang hỗ trợ để tăng sức
kháng và giảm trọng lượng bản thân. Thực tế CTTL ở Việt Nam hiện
nay cho thấy các công trình vẫn chủ yếu thiết kế sử dụng BTCT
thuần túy (ít có sự ứng dụng của cốt thép dự ứng lực) nên công trình
thường nặng nề, tải trọng bản thân lớn, việc thi công thực hiện theo
nhiều giai đoạn và do đó kết cấu có những trạng thái chịu lực khác
nhau.
4.2 Quy trình tính toán gia cường kết cấu BTCT bằng tấm
composite cho CTTL
Đề tài luận án đề xuất các bước sau khi thực hiện việc tính toán
gia cường kết cấu BTCT công trình thủy lợi bằng tấm composite:
Bước 1: Khảo sát, đánh giá hiện trạng công trình.
Bước 2: Phân tích nguyên nhân gây tổn hại về mặt sức kháng
hoặc điều kiện khai thác của công trình.
Bước 3: Đánh giá về mặt tải trọng tác động
Bước 4: Lựa chọn phương án gia cường
Bước 5: Lựa chọn thời điểm, điều kiện gia cường
Bước 6: Tính toán ứng xử của kết cấu theo từng giai đoạn chịu
lực bao gồm cả các trạng thái trước và sau khi gia cường
Bước 7: Thử nghiệm, kiểm nghiệm hiệu quả của việc gia cường
thông qua việc đo đạc thực tế.


19
4.3 Công trình cống Liệt Sơn
Trong phần này trình bày nội dung gia cường và kết quả kiểm tra
thực nghiệm của công trình cống Liệt Sơn thuộc tỉnh Quảng Ngãi do
nghiên cứu sinh trực tiếp thực hiện.
4.3.1 Hiện trạng về công trình cống Liệt Sơn

Cống Liệt Sơn là cống dưới đập với kết cấu dạng hộp bằng BTCT
có khẩu diện b x h = 1,2m x 1,6m. Cống có chiều dày mặt trên, thành
và mặt dưới đều là 0,4m. Cốt thép dọc và ngang có đường kính
D14mm với khoảng cách a = 20cm được bố trí 2 lớp, chiều dày bê
tông bảo vệ c = 5cm. Cống có chiều dài 159m. Cống chảy không áp
với lưu lượng thiết kế Q = 4,7m3/s. Cao trình ngưỡng là +21,0m. Tại
thời điểm khảo sát, mực nước hồ có cao trình là +24,3m. Về hiện
trạng thân cống: Đoạn sau cửa van: toàn bộ bê tông bị bào mòn 1-3
cm, có chỗ lộ cốt thép; Hầu hết các đoạn cống, phần thành cống và
trần có nhiều điểm bị thấm nước từ ngoài vào làm rỉ cốt thép, tạo ra
những đụn rỉ sắt; Đánh giá chung cho thấy thân cống lấy nước đã bị
xuống cấp; bê tông thân cống đã bị suy giảm cường độ, rất nhiều vị
trí bê tông bị rỗ ở thành cống và vị trí tiếp giáp với trần cống.
4.3.2 Tính toán gia cường kết cấu cống
Trên cơ sở hiện trạng cống như trên, công nghệ bọc phủ vật liệu
composite cường độ cao có thể ứng dụng để sửa chữa những hư hỏng
trên của cống lấy nước hồ chứa Liệt Sơn. Sử dụng vật liệu keo dán
có khả năng đông rắn nhanh trong môi trường ẩm ướt cũng như bám
dính tốt với bê tông, chịu được áp lực cao, tăng cường độ chịu lực và
chống thấm tốt cho bê tông thân cống, thời gian thi công nhanh. Để
đánh giá chính xác ứng xử của kết cấu cống BTCT trước và sau khi
gia cường, trong nghiên cứu này sử dụng chương trình phân tích
PTHH phi tuyến ATENA. Do đặc tính hình học dạng dải, việc tính
toán thông qua mô phỏng số được thực hiện với mô hình hai chiều.
4.3.3 Kết quả tính toán
4.3.3.1 Kết cấu trước khi gia cường
Dưới tác dụng của các tải trọng, kết cấu cống trước khi gia cường
có các vết nứt ở bên trong hai thành cống và ở mặt trên, dưới thành
cống tại vị trí tiếp giáp với thành cống. Các vết này có bề rộng lớn
nhất tại vị trí giữa thành cống với giá trị là 0,043mm và chiều sâu

khoảng 150mm. Ứng suất tính toán lớn nhất trong cốt thép tại vị trí
vết nứt là 83,4 MPa. Giá trị này vẫn còn nhỏ hơn so với giới hạn
chảy của cốt thép. Kết cấu chưa bị phá hoại do cả cốt thép và bê


20
tông. Vết nứt vẫn nằm trong giới hạn cho phép (nhỏ hơn 8 lần so với
giá trị giới hạn là 0,3mm). Tuy nhiên, dưới tác dụng xâm thực của
môi trường, bề rộng vết nứt có thể gia tăng do sự hoen rỉ của cốt thép
gây trương phồng lớp bê tông bảo vệ. Do vậy cần thiết phải hạn chế
sự mở rộng vết nứt cũng như ngăn chặn sự tiếp xúc của nước tới cốt
thép trong bê tông thành cống.
4.3.3.2 Kết cấu sau khi gia cường
Với sự tham gia chịu lực của lớp gia cường, bề rộng vết nứt đã
giảm đáng kể xuống còn 0,01mm. Nghĩa là giảm với hệ số 4 lần so
với kết quả tính toán bề rộng vết nứt trước khi gia cường (0,043mm).
Giá trị bề rộng vết nứt lớn nhất này thực sự rất nhỏ và không gây ảnh
hưởng gì bất lợi tới sức chịu tải cũng như độ bền của cốt thép và có
khả năng ngăn được sự xâm thực của môi trường.
4.3.4 Đánh giá sức chịu tải của kết cấu sau khi gia cường
Bố trí các điểm đo biến dạng ở các mặt cắt cống khi gia cường;
tiến hành đo đạc và kiểm tra tại hiện trường ở thời điểm gia cường và
1 tháng sau khi thực hiện việc gia cường (mực nước hồ tăng lên ở
cao trình +30,0m và chênh so với thời điểm lúc gia cường là +24,3
tương ứng với 5,7m).Việc gia cường cho thấy chất lượng gia cường
tốt; Không còn hiện tượng rò nước; Dính bám giữa bê tông và lớp
vật liệu gia cường chặt chẽ; Kết cấu cống khai thác bình thường.
Kết quả đo được so sánh với kết quả tính theo phương pháp số.
Kết quả đo bằng khoảng 32% đến 40% kết quả tính. Tuy có sự chênh
lệch cao nhưng kết quả đo ổn định một cách tương đối so với kết quả

tính.Một trong những lý do có sự chênh lệch này là kết quả tính dựa
vào cường độ bê tông đo bằng súng bật nảy đối với lớp bê tông bề
mặt của cấu kiện. Theo đó, giá trị này khá nhỏ (giá trị trung bình xấp
xỉ là 8 MPa). Trong thực tế, cường độ bê tông ở các lớp trong, nơi
chưa có sự xâm thực của môi trường, có thể cao hơn nhiều. Do vậy,
kết cấu thực tế có độ cứng lớn hơn so với mô hình tính toán. Có thể
nói, mô hình tính toán cho kết quả thiên về an toàn.
Những kết quả bước đầu cho thấy việc sử dụng phương pháp dán
lớp vật liệu composite cường độ cao trong gia cường công trình
cống, trong môi trường ẩm ướt là khả thi và có nhiều tiềm năng. Tuy
vậy, kết cấu gia cường cần tiếp tục theo dõi và kiểm tra thường
xuyên để đánh giá được chính xác hơn độ bền theo thời gian của kết
cấu cũng như keo dán.


21

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
I. Kết luận
Các kết quả nghiên cứu được trình bày ở các chương trước của
luận án đã làm rõ được các vấn đề nghiên cứu đặt ra và rút ra được
các kết luận sau:
(a) Về ứng xử chịu tải của kết cấu sau khi gia cường:
Kết cấu gia cường có sự phân bố lại nội lực, ứng suất và biến
dạng khi chịu tải trong đó khả năng chịu nén của bê tông được huy
động, thể hiện chiều cao vùng bê tông chịu nén có xu hướng gia
tăng; vật liệu gia cường san sẻ lực kéo cùng với cốt thép chịu kéo
trong cấu kiện bê tông; ở trạng thái giới hạn, lớp bê tông bảo vệ có
thể bị bóc tách dọc theo cốt thép, cũng như xuất hiện các vết nứt xiên
ở khu vực cuối của đoạn gia cường.

(b) Về khả năng chống thấm, độ bền lớp kết dính giữa bê tông và vật
liệu gia cường trong điều kiện môi trường ẩm ướt:
Kết quả khảo sát thực nghiệm thông qua cống lấy nước hồ chứa
Liệt Sơn cho thấy sau nhiều tháng kể từ khi thi công gia cường, công
trình không xuất hiện các vết thấm nước như trước đây. Quá trình thi
công trong điều kiện môi trường ẩm ướt. Kết quả cho thấy liên kết
giữa lớp gia cường và bề mặt kết cấu bê tông rất tốt.
(c) Về hiệu quả của phương pháp gia cường:
Kết quả nghiên cứu bằng thực nghiệm vật lý mà nghiên cứu sinh
thực hiện cho thấy sức kháng của kết cấu (bản mỏng) có thể gia tăng
gấp 3 lần (300%) so với sức kháng khi chưa gia cường. Đối với cấu
kiện dầm, sức kháng cũng có thể gia tăng tới 2 lần, tùy theo mức độ
gia cường.
(d) Về khả năng ứng dụng của phương pháp đối với CTTL:
Với tính năng vật liệu gia cường và đặc biệt là keo dính giữa lớp
bê tông và tấm composite có thể thi công trong điều kiện độ ẩm cao
(tới 100%), phương pháp gia cường này hoàn toàn thích hợp cho các
CTTL bằng BTCT. Ngoài ra, CTTL vốn chịu hoạt tải khá lớn (ví dụ
như tải trọng nước trong cầu máng), hay nói cách khác có biên độ
dao động lớn của tải trọng, nên vật liệu gia cường có điều kiện phát
huy cao khả năng chịu hoạt tải, dẫn tới tăng hiệu quả của giải pháp
gia cường. Ví dụ, hoạt tải của công trình cầu giao thông chiếm


22
khoảng 30% tổng tải trọng, trong khi hoạt tải của cầu máng có thể
chiếm tới 60% tổng tải trọng.
(e) Về ảnh hưởng của cường độ bê tông đến hiệu quả gia cường về
mặt sức kháng:
Cường độ bê tông có ảnh hưởng tương đối tới hiệu quả gia cường.

Nếu bê tông trong kết cấu có cường độ cao thì tiềm năng khai thác
vùng bê tông chịu nén là cao dẫn tới sức chịu tải của kết cấu sau gia
cường được tăng lên đáng kể.
(f) Về ảnh hưởng của hàm lượng cốt thép đến hiệu quả gia cường về
mặt sức kháng:
Đối với kết cấu có hàm lượng cốt thép thấp (ví dụ 0,5%) thì hiệu
quả của phương pháp gia cường là rất lớn, vì có thể cho phép sử
dụng lượng lớn vật liệu gia cường trong vùng chịu kéo mà vẫn đảm
bảo vùng nén của bê tông không bị phá hoại. Nếu hàm lượng cốt
thép chịu kéo lớn hơn 2% thì hiệu quả của việc gia cường thấp. Luận
án kiến nghị chỉ sử dụng phương pháp đối với kết cấu có hàm lượng
cốt thép nhỏ hơn 2%.
(g) Về ảnh hưởng của bề dày lớp bê tông bảo vệ đến hiệu quả gia
cường về mặt sức kháng:
Chiều dày lớp bê tông bảo vệ có ảnh hưởng ở mức nhỏ (đối với
dầm có chiều cao 250mm như luận án đã khảo sát thì mức độ ảnh
hưởng khoảng 6%) đến sức kháng của kết cấu. Theo đó, khi chiều
dày lớp bê tông bảo vệ nhỏ thì sức kháng của kết cấu gia cường có
xu hướng tăng, vì lúc này trọng tâm của vật liệu chịu kéo (cốt thép
chịu kéo trong bê tông và lớp gia cường) nằm xa hơn so với vị trí
trục trung hòa.
(h) Về khả năng gia cường sức kháng cắt cho bản BTCT không cốt
đai:
Đối với các bản bê tông mỏng không thể bố trí cốt đai chịu lực cắt
thì lớp vật liệu gia cường composite có thể kết hợp với cốt thép dọc
chịu kéo nâng cao khả năng chịu lực cắt. Luận án đã nghiên cứu ảnh
hưởng của đoạn không gia cường tới khả năng chịu cắt của cấu kiện
BTCT và xây dựng được một công thức tính toán sức kháng cắt có
xét tới khoảng cách đoạn không gia cường (công thức 3.10). Đánh
giá thông qua các kết quả thí nghiệm từ tài liệu tham khảo, công thức

mới cho độ chính xác tốt hơn so với công thức đã có; cách tính đơn
giản, nhanh gọn, giúp cho các kỹ sư thiết kế quyết định phương án
gia cường nhanh chóng tại hiện trường.


23
(i) Về việc lựa chọn bao nhiêu lớp vật liệu cho việc gia cường:
Do tấm vật liệu composite có độ cứng theo hai phương chính là
khác nhau (không đẳng hướng) nên việc gia cường thực sự chỉ có
hiệu quả khi phương chịu lực chính của tấm sợi được dán theo
phương gây biến dạng lớn (gây nứt) trong kết cấu. Kiến nghị cố gắng
chọn số lớp vật liệu ít nhất có thể (tối đa là 3) và ưu tiên là 1, bằng
cách lựa chọn độ dày thích hợp của tấm và loại vật liệu (cốt sợi các
bon). Do mô đun đàn hồi lớn nên cốt sợi các bon có thể có hiệu quả
cao hơn so với cốt sợi thủy tinh mặc dù giá thành đắt hơn. Để đạt
được hiệu quả kinh tế tối ưu cần phân tích độ cứng yêu cầu của lớp
gia cường cho từng bài toán cụ thể.
(j) Về sử dụng phương pháp PTHH có phản ánh được ứng xử của kết
cấu BTCT trước và sau khi gia cường bằng phương pháp dán tấm
vật liệu composite ?
Kết quả mô phỏng và phân tích PTHH được trình bày trong luận
án cho thấy hoàn toàn có thể sử dụng phương pháp PTHH được cài
đặt trong một số phần mềm chuyên dụng trong việc tính toán gia
cường kết cấu với độ tin cậy cao. Kiến nghị sử dụng phân tích phi
tuyến vật liệu trong việc mô phỏng và tính toán kết cấu.
Ngoài các kết quả nghiên cứu được trình bày ở trên, luận án còn
làm rõ được những điểm quan trọng phục vụ công tác gia cường kết
cấu BTCT trong CTTL như sau:
1) Trong công tác phân tích kết cấu cũ để đánh giá trạng thái
làm việc cũng như sức chịu tải làm cơ sở cho việc quyết định mức độ

gia cường, phương pháp PTHH với mô hình phi tuyến vật liệu là
công cụ hiệu quả cho việc phân tích tính toán này. Tuy nhiên,
phương pháp này đòi hỏi sự hiểu biết sâu về phương pháp tính nói
chung, phương pháp PTHH nói riêng cũng như về ứng xử vật liệu
BTCT. Việc lựa chọn phần mềm phân tích cũng đóng một vai trò
quan trọng cho chất lượng phân tích kết cấu.
2) Công trình được gia cường bằng phương pháp dán tấm
composite cần được phân tích đánh giá theo các giai đoạn thi công,
nhằm phản ánh đúng trạng thái làm việc của kết cấu tương ứng với
các tải trọng tác động. Trên cơ sở đó hiệu quả của việc tính toán gia
cường đạt được cao hơn. Kết cấu gia cường chỉ tham gia chịu lực
dưới tác dụng của tải trọng xảy ra sau khi kết thúc công tác gia
cường. Tải trọng bản thân của kết cấu, cũng như tải trọng đã được