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 – biến dạng ở điều kiện phá hoại vùng bê tông chịu nén
(εc=εcu, εf ≤ εfu) ................................................................................................................54
Hình 2.8. Phân bố ứng suất – biến dạng ở điều kiện kéo đứt cốt FRP (εc≤εcu,εf=εfu) ....55
Hình 2.9. Sự phân bố ứng suất và biến dạng đàn hồi ....................................................65
Hình 2.10. Phân bố ứng suất – biến dạng trong mặt cắt có cốt đơn FRP và thép .........71
Hình 2.11. Phân bố ứng suất – biến dạng trong mặt cắt có cốt kép FRP và thép .........74
Hình 3.1. Chuẩn bị ván khuôn và buộc cốt GFRP ........................................................78
Hình 3.2. Máy thí nghiệm nén xác định cường độ bê tông mẫu (150x300) mm ..........79
Hình 3.3. Mẫu thử bê tông hình trụ (150 x 300) mm ....................................................79
Hình 3.4. Sơ đồ mặt cắt ngang dầm thí nghiệm GFRP .................................................80
Hình 3.5. Sơ đồ thí nghiệm dầm ....................................................................................81
Hình 3.6. Biểu đồ bố trí thiết bị đo ................................................................................81
Hình 3.7. Tiến hành gắn cảm biến (Strain Gauges) vào cốt GFRP...............................82
Hình 3.8. Tiến hành kiểm tra thiết bị đo (Strain Gauges) .............................................82
Hình 3.9. Công tác bảo dưỡng bê tông dầm ..................................................................83
Hình 3.10. Công tác trộn bê tông ..................................................................................83
Hình 3.11. Tiến hành lắp đặt thiết bị đo biến dạng (Strain Gauges) trên bề mặt bê tông
và thiết bị đo chuyển vị LVDTs ....................................................................................83


xii
Hình 3.12. Hệ thống khung gia tải (Phòng thí nghiệm Vilas 047 ĐHGTVT) ..............84

Hình 3.13. Lắp đặt dầm thí nghiệm ...............................................................................84
Hình 3.14. Biểu đồ quan hệ tải trọng – biến dạng của cốt GFRP .................................87
Hình 3.15. Biểu đồ quan hệ tải trọng – độ võng của dầm .............................................88
Hình 3.16. Dạng phá hoại của dầm BGa-10-2 ..............................................................89
Hình 3.17. Dạng phá hoại của dầm BGb-10-2 ..............................................................89
Hình 3.18. Dạng phá hoại của dầm BGc-10-2 ..............................................................89
Hình 4.1. Sơ đồ mặt cắt ngang cầu ................................................................................97
Hình 4.2. Tiết diện mặt cắt ngang dầm .........................................................................99
Hình 4.3. Diện tích tiếp xúc và truyền lực của bánh xe lên mặt cầu ...........................100
Hình 4.4. Biểu đồ quan hệ Mu/ϕMn – Chiều dài (L) của các dầm...............................107
Hình 4.5. Biểu đồ quan hệ ∆/∆allow – Chiều dài (L) của các dầm ................................108
Hình 4.6. Biểu đồ quan hệ w/wallow – Chiều dài (L) của các dầm ...............................109
Hình 4.7. Biểu đồ quan hệ Mu/ϕMn – Chiều cao (h) của các dầm ..............................113
Hình 4.8. Biểu đồ quan hệ ∆/∆allow – Chiều cao (h) của các dầm ...............................114
Hình 4.9. Biểu đồ quan hệ w/wallow – Chiều cao (h) của các dầm...............................115
Hình 4.10. Bố trí cốt thép thường cho dầm Gthép (sử dụng cốt thép) ..........................118
Hình 4.11. Bố trí cốt GFRP cho dầm GGFRP ................................................................118
Hình 4.12. Bố trí cốt CFRP dầm GCFRP .......................................................................119
Hình 4.13. Bố trí cốt GFRP và thép cho dầm GHybrid ..................................................119
Hình 4.14. Bố trí cốt thép thường cho bản mặt cầu.....................................................122
Hình 4.15. Bố trí cốt GFRP cho bản mặt cầu ..............................................................123
Hình 4.16. Bố trí cốt CFRP cho bản mặt cầu ..............................................................123


xiii
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
I. TIẾNG VIỆT
BTCT

: Bê tông cốt thép

BTCĐC

: Bê tông cường độ cao

GTVT

: Giao thông vận tải

TCN

: Tiêu chuẩn ngành

TCVN

: Tiêu chuẩn Việt Nam

TCXDVN

: Tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam

TTGH

: Trạng thái giới hạn

TTGH CĐ

: Trạng thái giới hạn cường độ

TTGH SD

: Trạng thái giới hạn sử dụng

II. TIẾNG ANH
AASHTO

: American Association of State Highway and Transportation Officials
(Hiệp hội các viên chức đường bộ và vận tải Mỹ)

ACI

: American Concrete Institute (Viện Bê tông Mỹ)

AFRP

: Aramid Fiber-Reinforced Polymer (Cốt polyme gia cường sợi
Aramid)

CFRP

: Carbon Fiber-Reinforced Polymer (Cốt polyme gia cường sợi
Cacbon)

FRP

: Fiber-Reinforced Polymer (Cốt polymer gia cường sợi)

GFRP

: Glass Fiber-Reinforced Polymer (Cốt polyme gia cường sợi Thủy

tinh)

HYBRID

: Bố trí cốt GFRP kết hợp với cốt thép

JSCE

: Japan Society of Civil Engineers (hội Kỹ sư Xây dựng Nhật)


xiv
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU
Af

Diện tích tiết diện cốt FRP, (mm2)

Af, bar

Diện tích tiết diện một thanh FRP, (mm2)

Af, min

Diện tích tiết diện của cốt FRP tối thiểu cần thiết để đảm bảo cấu kiện uốn
không bị phá hỏng khi bị nứt, (mm2)

Af, st

Diện tích tiết diện cốt FRP chịu co ngót và nhiệt độ tính trên mét dài, (mm2)

Afv

Diện tích tiết diện cốt FRP chịu cắt bên trong khoảng cách s, (mm2)

Afv, min Diện tích tiết diện cốt FRP chịu cắt tối thiếu bên trong khoảng cách s, (mm2)
As

Diện tích cốt thép chịu kéo, (mm2)

a

Chiều cao biểu đồ khối ứng suất chữ nhật tương đương, (mm)

b

Chiều rộng mặt cắt ngang tiết diện chữ nhật, (mm)

bw

Chiều rộng của sườn dầm, (mm)

CE

Hệ số giảm môi trường đối với các loại sợi và điều kiện phơi lộ khác nhau

c

Khoảng cách từ thớ chịu nén tại biên đến trục trung hoà, (mm)

cb

Khoảng cách từ thớ chịu nén tại biên đến trục trung hoà ở điều kiện cân bằng
biến dạng, (mm)

Cc

Bề dày của lớp bê tông bảo vệ từ thớ chịu kéo ngoài cùng tới tâm của cốt hoặc
vị trí cốt gần nhất với thớ đó, (mm)

d

Khoảng cách từ thớ chịu nén tại biên đến trọng tâm của cốt chịu kéo, (mm)

DB

Đường kính của cốt FRP, (mm)

Ec

Mô đun đàn hồi của bê tông, (MPa)

Ef

Mô đun đàn hồi thiết kế hay mô đun đàn hồi được bảo đảm của cốt FRP được
xác định bằng các mô đun trung bình của nhóm mẫu thử (Ef=Ef,ave), (MPa)

Ef, ave

Mô đun đàn hồi trung bình của cốt FRP, (MPa)

Es

Mô đun đàn hồi của cốt thép, (MPa)

fc '

Cường độ chịu nén quy định của bê tông, (MPa)

f c'

Căn bậc hai của cường độ chịu nén quy định của bê tông, (MPa)

ff

Ứng suất trong cốt FRP chịu kéo, (MPa)

ffb

Cường độ của phần uốn cong của cốt đai FRP, (MPa)

ffe

Ứng suất trong cốt có thể triển khai cho chiều dài chôn le, (MPa)

ffu

Cường độ kéo thiết kế của cốt FRP, có xét đến sự giảm do môi trường sử
dụng, (MPa)

f *fu

Cường độ kéo được đảm bảo của cốt FRP, được xác định bằng cường độ kéo


xv
trung bình của nhóm mẫu thử trừ ba lần độ lệch chuẩn (f*fu=ffu,ave– 3σ), (MPa)
ffv

Cường độ chịu kéo của cốt FRP khi thiết kế chịu cắt, được lấy từ giá trị nhỏ
nhất trong các giá trị (cường độ kéo thiết kế ffu và cường độ kéo của phần uốn
cong của cốt đai FRP ffb hoặc ứng suất tương ứng với 0.004Ef), (MPa)

ffr

Ứng suất yêu cầu của cốt, (MPa)

fr

Cường độ kéo uốn (mô đun gãy), (MPa)

fs

Ứng suất cho phép trong cốt thép, (MPa)

fu,ave

Cường độ kéo trung bình của nhóm mẫu thử, (MPa)

fy

Cường độ kéo chảy của cốt thép thường, (MPa)

h

Chiều cao toàn thể của cấu kiện chịu uốn, (mm)

I

Mô men quán tính, (mm4)

Icr

Mô men quán tính của tiết diện đã biến đổi do nứt, (mm4)

Ie

Mô men quán tính hữu hiệu, (mm4)

Ig

Mô men quán tính của tiết diện nguyên, (mm4)

k

Tỷ số của khoảng cách từ thớ chịu nén ngoài cùng đến trục trung hòa và đến
cốt chịu kéo

kb

Hệ số phụ thuộc do dính kết

L

Chiều dài dầm, (m)

lbhf

Chiều dài neo cơ bản của móc FRP Tiêu chuẩn chịu kéo, (mm)

ld

Chiều dài neo triển khai, (mm)

le

Chiều dài chôn của cốt gia cường, (mm)

lthf

Chiều dài của phần đuôi sau móc ngoài của cốt FRP, (mm)

Ma

Mô men lớn nhất trong cấu kiện ở giai đoạn tính toán độ võng, (N.mm)

Mcr

Mô men gây nứt, (N.mm)

Mn

Mô men uốn danh định (khả năng chịu uốn danh nghĩa), (N.mm)

Ms

Mô men do tải trọng dài hạn, (N.mm)

Mu

Mô men có nhân hệ số (hay mô men do tải trọng cực hạn gây ra) tại tiết diện,
(N.mm)

nf

Tỉ số giữa mô đun đàn hồi của cốt FRP so với mô đun đàn hồi của bê tông

rb

Bán kính uốn phía trong cốt FRP, (mm)

s

Khoảng cách giữa các cốt đai hay bước của cốt đai xoắn liên tục và khoảng
cách giữa các cốt FRP dọc, (mm)

Tg

Nhiệt độ chuyển hóa thủy tinh, (0C)

u

Ứng suất dính trung bình tác động lên bề mặt của cốt FRP, (MPa)


xvi
Vc

Sức kháng cắt danh định của bê tông, (N)

Vf

Sức kháng cắt cung cấp bởi cốt đai FRP, (N)

Vn

Sức kháng cắt danh định của tiết diện, (N)

Vs

Sức kháng cắt cung cấp bởi cốt đai thép, (N)

Vu

Lực cắt có nhân hệ số (hay lực cắt tính toán) tại tiết diện, (N)

w

Bề rộng vết nứt lớn nhất, (mm)

Yb

Trọng tâm tới đáy dầm (khoảng cách từ trục trung hòa đến thớ chịu kéo ngoài
cùng, (mm)

α

Góc nghiêng của cốt đai hoặc cốt đai xoắn

α1

Tỉ số giữa ứng suất trung bình của biểu đồ khối ứng suất chữ nhật tương đương
so với f’c

αL

Hệ số giãn nở nhiệt theo phương dọc, (l/0C)

αT

Hệ số giãn nở nhiệt theo phương ngang, (1/°C)

β

Tỷ số giữa khoảng cách từ trục trung hòa đến cốt chịu kéo tại biên so với
khoảng cách từ trục trung hòa đến tâm của cốt chịu kéo

β1

Hệ số khối ứng suất

βd

Hệ số giảm được sử dụng trong tính toán độ võng

εc

Biến dạng của bê tông

εcu

Biến dạng cực hạn của bê tông khi chịu nén

εf

Biến dạng của cốt FRP

εfu

Biến dạng giới hạn kéo đứt của cốt FRP

εfu*

Biến dạng khi đứt được đảm bảo của cốt FRP, xác định bằng biến dạng trung
bình lúc đứt của nhóm mẫu thử trừ đi 3 lần độ lệnh chuẩn (εfu* = εu, ave - 3σ),
(mm/mm)

εu,ave

Biến dạng trung bình lúc kéo đứt của nhóm các mẫu thử

η

Tỷ số của khoảng cách từ cốt chịu nén tại biên đến trọng tâm cốt chịu kéo (d)
với chiều cao toàn thể của cấu kiện chịu uốn (h)

λ

Hệ số nhân cho độ võng dài hạn bổ sung

ξ

Hệ số phụ thuộc vào thời gian của tải trọng (tác dụng) dài hạn

ρ'

Hàm lượng cốt thép chịu nén, ρ' = As'/bd

ρb

Hàm lượng cốt thép tạo ra các điều kiện biến dạng cân bằng

ρf

Hàm lượng cốt FRP

ρf '

Hàm lượng cốt FRP chịu nén

ρfb

Hàm lượng cốt FRP tạo nên điều kiện biến dạng cân bằng


xvii
ρfv

Hàm lượng cốt FRP chịu cắt

ρf,ts

Hàm lượng cốt FRP do nhiệt độ và co ngót

ρmin

Hàm lượng cốt thép tối thiểu

ρs

Hàm lượng cốt thép chịu kéo

σ

Độ lệch chuẩn của mẫu thí nghiệm

ϕ

Hệ số sức kháng

1
MỞ ĐẦU

1. Lý do chọn đề tài
Campuchia là một nước đang phát triển, cơ sở hạ tầng giao thông còn nhiều
hạn chế, nhu cầu xây dựng và hiện đại hóa cơ sở hạ tầng giao thông nói chung,
các công trình cầu nói riêng đang trở nên thời sự và cấp bách.
Cầu bê tông cốt thép với ưu điểm thi công đơn giản, giá thành thấp, tận dụng
được vật liệu địa phương, chiếm một tỷ lệ lớn trong hệ thống các công trình cầu
đã và đang xây dựng trên thế giới nói chung, Campuchia nói riêng. Những năm
qua, ảnh hưởng của khí hậu cực đoan, các hư hỏng liên quan đến hiện tượng ăn
mòn cốt thép ở khu vực ven biển, cầu cảng đã được phát hiện và trở thành vấn đề
quan tâm trên phạm vi toàn thế giới trong đó có Campuchia.
Xu hướng tìm vật liệu mới để thay thế cho một phần hoặc toàn bộ cốt thép
để chống ăn mòn cho những kết cấu cầu BTCT là rất cần thiết.
Để chống ăn mòn ở cốt thép chúng ta đã áp dụng rất nhiều giải pháp khác
nhau. Ở Châu Âu, Mỹ, Nhật Bản …v.v. đã nghiên cứu sử dụng vật liệu cốt polyme
gia cường sợi (FRP) và chứng minh rằng nó là một giải pháp khả thi và kinh tế để
thay thế cốt thép trong môi trường ăn mòn [22] và [62].
Cốt polyme gia cường sợi (FRP) có nhiều ưu điểm vượt trội so với cốt thép
thường như cường độ chịu kéo cao, không bị ăn mòn có thể sử dụng lâu bền trong
môi trường nước biển, nhẹ hơn cốt thép thường có kích thước tương đương, không
có từ tính.
Cốt FRP có cường độ chịu kéo cao nên việc sử dụng kết hợp với bê tông
cường độ cao (BTCĐC) là hợp lý về mặt kết cấu. Bê tông cường độ cao cốt
polyme gia cường sợi (FRP) sẽ tăng khả năng chống ăn mòn và tăng khả năng bền
vững cho kết cấu công trình, có thời gian khai thác sử dụng lâu dài và ổn định từ
80 đến 100 năm [48], [51] với việc bảo trì tối thiểu.

2
Cốt polyme gia cường sợi (FRP) đã bắt đầu được ứng dụng cho phần dầm và
bản mặt cầu ô tô ở Bắc Mỹ để thay thế cho cốt thép từ những năm 1970 [17], [60],
[61]. Đến nay càng ngày càng nhiều ứng dụng của cốt polyme gia cường sợi (FRP)
được nghiên cứu và phát triển tại Mỹ, Nga, Nhật Bản, Trung Quốc và nhiều nước
khác trên thế giới.
Ở các nước láng giềng với Campuchia như Việt Nam, Thái Lan … đã sản
xuất thành công cốt polyme gia cường sợi (FRP) và đã đạt được các tính năng phù
hợp thay thế cho cốt thép trong công trình xây dựng.
Hiện nay, các Tiêu chuẩn tính toán, thiết kế kết cấu bê tông cốt polyme gia
cường sợi (FRP) đã được ban hành bởi nhiều hiệp hội và quốc gia trên thế giới
như: Hội bê tông Mỹ ACI, Canada, Anh, Pháp, Tây Ban Nha, Ý, Trung Quốc.
Các Tiêu chuẩn này được xây dựng dựa trên các nghiên cứu thực nghiệm được
tiến hành với vật liệu và điều kiện cụ thể của từng nước [17], [19], [20], [21], [22],
[23], [24], [25], [26], [33], [37], [39], [44], [45], [51] và [97]. Do vậy khi áp dụng
ở Việt Nam hay Campuchia thì cần phải có những nghiên cứu kiểm chứng.
Để đưa vật liệu này vào kết cấu cầu hiệu quả, cần thiết phải vừa nghiên cứu
bằng lý thuyết dựa trên kinh nghiệm của các nước, vừa nghiên cứu trong điều kiện
thực tiễn tại Việt Nam, Campuchia để xác định ứng xử của kết cấu khi chịu tải và
phạm vi áp dụng của loại kết cấu này.
Campuchia là đất nước đang phát triển, việc sử dụng cốt polyme gia cường
sợi (FRP) ở ngành xây dựng cầu là mới, có rất ít các nghiên cứu về kết cấu bê
tông cốt polyme gia cường sợi (FRP) theo hướng ứng dụng cho công trình cầu.
Do vậy việc nghiên cứu ứng xử uốn của dầm bê tông cường độ cao cốt polyme
gia cường sợi (FRP) theo hướng ứng dụng trong xây dựng cầu ở Campuchia là
hướng nghiên cứu có tính khoa học và thực tiễn.
Với những lý do nêu trên, nghiên cứu sinh lựa chọn đề tài “Nghiên cứu ứng
xử uốn của dầm bê tông cường độ cao cốt polyme gia cường sợi (FRP) để xây

3
dựng cầu ở Campuchia” để thực hiện luận án của mình.

2. Mục đích nghiên cứu
- Nghiên cứu lựa chọn phương pháp tính toán kết cấu bê tông cường độ cao
cốt polyme gia cường sợi (FRP) đối với dầm cầu.
- Nghiên cứu thực nghiệm ứng xử uốn của dầm bê tông cường độ cao đến
cấp 80 MPa sử dụng cốt polyme gia cường sợi thủy tinh, làm rõ ưu điểm và nhược
điểm của loại dầm này so với dầm bê tông cốt thép thông thường.
- Thiết kế một số dầm cầu nhịp đơn giản sử dụng cốt polyme gia cường sợi
thủy tinh, cốt polyme gia cường sợi cacbon, cốt polyme gia cường sợi thủy tinh
kết hợp với cốt thép để áp dụng tại Campuchia.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
* Đối tượng nghiên cứu:
- Bê tông cường độ cao;
- Các phương pháp tính toán, thiết kế dầm bê tông cường độ cao cốt polyme
gia cường sợi (FRP);
- Thí nghiệm ứng xử uốn của dầm bê tông cường độ cao cốt polyme gia
cường sợi thủy tinh (GFRP);
- Thiết kế dầm cầu bê tông cường độ cao cốt thép, cốt GFRP, cốt CFRP và
cốt Hybrid.
* Phạm vi nghiên cứu:
- Bê tông cường độ cao có cường độ cao, f’c ≤ 83 MPa;
- Các phương pháp tính toán, thiết kế dầm BTCĐC cốt FRP chủ yếu dựa trên
phương pháp theo các chỉ dẫn của AASHTO và ACI;


4
- Chỉ nghiên cứu, tính toán kết cấu bê tông cốt FRP không dự ứng lực;
- Cốt GFRP sử dụng trong thí nghiệm dầm được sản xuất tại Việt Nam;

- Kết quả thí nghiệm đo được gồm có: Quan hệ tải trọng – độ võng, quan hệ
tải trọng – biến dạng của cốt GFRP, quan hệ tải trọng - biến dạng của bê tông
vùng nén mà chưa đo được giới hạn bề rộng vết nứt và chưa xét đến các ảnh hưởng
khác.
4. Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu sinh sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực
nghiệm. Nghiên cứu lý thuyết được thực hiện trên cơ sở tham khảo các tiêu chuẩn
thiết kế của Mỹ, Nhật Bản, Châu Âu. Phương pháp thực nghiệm được thực hiện
để đánh giá ứng xử uốn của dầm bê tông cốt FRP, kiểm chứng lý thuyết tính toán
và lý thuyết nguyên cứu đã đề xuất.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
- Ý nghĩa khoa học của luận án: Luận án nghiên cứu bê tông cường độ cao
sử dụng cốt FRP cho kết cấu dầm và bản mặt cầu bằng phương pháp kết hợp lý
thuyết với thực nghiệm ứng xử uốn dầm bê tông cường độ cao cốt sợi thủy tinh
từ đó lựa chọn phương pháp tính toán phù hợp đối với kết cấu dầm bê tông cường
độ cao cốt polyme gia cường sợi (FRP).
- Ý nghĩa thực tiễn của luận án: Kết quả nghiên cứu của luận án có thể coi là
tài liệu tham khảo tốt cho việc ứng dụng bê tông cường độ cao cốt polyme gia
cường sợi (FRP) cho kết cấu cầu tại Campuchia, cần thiết cho sự phát triển hệ
thống cầu ở Campuchia.
6. Cấu trúc của luận án
Ngoài phần Mở đầu và phần Kết luận kiến nghị, luận án gồm 4 chương:
Chương 1. Tổng quan về xây dựng cầu ở Campuchia và ứng dụng bê tông
cường độ cao cốt polyme gia cường sợi (FRP). Bao gồm các nội dung:


5
- Điều kiện tự nhiên, mạng lưới giao thông vận tải, tình hình sử dụng bê tông
cường độ cao trong xây dựng cầu và tình trạng hư hỏng cầu ở Campuchia;
- Giới thiệu về cốt FRP, lịch sử phát triển và các tiêu chuẩn thiết kế kết cấu

bê tông cốt FRP;
- Giới thiệu về đặc điểm tính chất của cốt FRP;
- Các nghiên cứu ứng xử uốn của dầm bê tông cốt FRP trên thế giới, ở Việt
Nam và ở Campuchia;
- Xác định vấn đề nghiên cứu của luận án.
Chương 2. Lý thuyết về phương pháp thiết kế kết cấu bê tông cường độ cao
cốt polyme gia cường sợi (FRP). Bao gồm các nội dung:
- Lý thuyết thiết kế kết cấu bê tông cốt FRP theo TTGH;
- Đề xuất trình tự kiểm toán mặt cắt dầm bê tông cốt FRP để áp dụng cho
việc tính toán ở chương 3 và chương 4.
Chương 3. Thí nghiệm uốn dầm bê tông cường độ cao cốt polyme gia cường
sợi thủy tinh (GFRP). Bao gồm các nội dung:
- Thí nghiệm uốn 4 điểm mẫu dầm bê tông cường độ cao cốt GFRP;
- Quan sát ứng xử uốn của dầm bê tông cường độ cao cốt GFRP;
- Xác định các giá trị thực nghiệm: Tải trọng gây nứt; tải trọng phá hoại;
- Xác định các quan hệ giữa tải trọng thí nghiệm với: Độ võng; biến dạng
của bê tông chịu nén và biến dạng kéo của cốt GFRP;
- So sánh kết quả thí nghiệm với kết quả tính toán dựa trên lý thuyết được đề
xuất ở Chương 2.
Chương 4. Thiết kế kết cấu bê tông cường độ cao cốt polyme gia cường sợi (FRP)
Chương này gồm các nội dung:


6
Thiết kế dầm cầu bê tông cường độ cao cốt thép, cốt GFRP, cốt CFRP và
cốt Hybrid:
- Chọn tỷ lệ chiều cao/chiều dài dầm (h//L) bằng cách thay đổi chiều dài dầm
hoặc chiều cao dầm;
- Cố định tỷ lệ (h/L) để tìm ra hàm lượng cốt FRP hợp lý, hoặc cố định hàm
lượng cốt FRP để tìm ra tỷ lệ (h/L) hợp lý;

- Chọn tỷ lệ diện tích cốt thép/diện tích cốt FRP hợp lý cho dầm Hybrid;
- So sánh các phương án bố trí các loại cốt.
Kết luận và kiến nghị.