Đánh giá hiệu quả gia cường cầu bê tông cốt thép thường sử dụng tấm sợi thủy tinh bằng thực nghiệm và phần mềm abaqus

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

`

CHÂU HƯỜNG

ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ GIA CƯỜNG CẦU
BÊ TÔNG CỐT THÉP THƯỜNG SỬ DỤNG TẤM
SỢI THỦY TINH BẰNG THỰC NGHIỆM
VÀ PHẦN MỀM ABAQUS

Chuyên ngành : Kỹ thuật Xây dựng Cơng trình giao thơng
Mã số

: 60.58.02.05

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
KỸ THUẬT XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH GIAO THƠNG

Đà Nẵng - Năm 2017


Cơng trình được hồn thành tại
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ĐHĐN

Người hướng dẫn khoa học: TS. NGUYỄN VĂN MỸ

Phản biện 1: TS. LÊ THỊ BÍCH THỦY

Phản biện 2: TS. HỒNG PHƯƠNG HOA

Luận văn đã bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt
nghiệp thạc sĩ Kỹ thuật Xây dựng Công trình giao thơng, họp
tại Đại học Đà Nẵng vào ngày 14 tháng 10 năm 2017.

Có thể tìm hiểu luận văn tại:
 Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng tại Trường Đại học
Bách khoa
 Thư viện Khoa Kỹ thuật xây dựng cơng trình giao thơng,
Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN


1
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Trong mục tiêu phát triển của đất nước ta đến năm 2020 trở
thành một nước cơng nghiệp, do đó nhu cầu về xây dựng cơ sở hạ
tầng là rất cần thiết nhằm phục vụ cho sự tăng trưởng nhanh chóng và
nhu cầu phát triển mạng lưới giao thông vận tải. Song song với việc
xây dựng mới thì việc duy trì sửa chữa các cơng trình cũ phải được
chú trọng. Trước mắt nhà nước đã thay thế một số cầu yếu và làm
thêm nhiều cầu mới nhưng cũng phải sửa chữa và tăng cường các cầu
yếu hoặc những cầu chưa đáp ứng được tải trọng khai thác trong thời
gian lâu dài hoặc trong một thời gian nào đó. Bên cạnh đó, cơng tác duy
tu, sửa chữa vẫn còn nhiều bất cập, chưa triệt để dẫn đến chưa đạt được
hiệu quả cao. Vì vậy, cần có nhiều nghiên cứu, đánh giá đưa ra biện
pháp gia cường tối ưu nhằm đảm bảo hiệu quả kinh tế, kỹ thuật.
Trước thực trạng đó, việc nghiên cứu hiệu quả các biện pháp
gia cường nhằm nâng cao khả năng chịu tải của cầu cũ đặc biệt là cầu bê
tông cốt thép thường ở nước ta hiện nay là rất cần thiết bởi số lượng cầu

bê tông cốt thép thường chiếm tỉ lệ khá lớn và giải quyết được bài toán
giữ vững trạng thái kỹ thuật của mạng lưới cầu trên đường ô tô trong
điều kiện nguồn nhân sách hạn hẹp như hiện nay. Việc nâng cấp sửa
chữa, gia cường cầu cũ thường nhằm các mục đích:
- Tăng cường khả năng chịu uốn.
- Tăng cường sức kháng cắt.
- Tăng cường độ cứng của cầu, giảm độ võng, …


2
Bên cạnh đó, việc nghiên cứu vật liệu mới có cường độ cao,
trọng lượng nhẹ, thi cơng đơn giản,… đóng vai trò rất quan trọng. Để
làm cơ sở gia cường cầu thực tế, tác giả đã chọn đề tài“ Đánh giá
hiệu quả gia cường cầu bê tông cốt thép thường sử dụng tấm sợi thủy
tinh bằng thực nghiệm và phần mềm Abaqus”.
2. Đối tƣợng nghiên cứu
- Cơng trình cầu bê tơng cốt thép thường.
- Phần mềm tính tốn Abaqus.
3. Phạm vi nghiên cứu
- Tính tốn gia cường sức kháng uốn, kháng cắt bằng tấm sợi
thủy tinh.
- Kiểm chứng bằng phần mềm và thực nghiệm khi gia cường
sức kháng uốn, kháng cắt bằng tấm sợi thủy tinh.
4. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
- Tính tốn sức kháng bằng lý thuyết tính tốn.
- Kiểm chứng hiệu quả gia cường bằng phần mềm Abaqus.
- Kiểm chứng hiệu quả gia cường bằng mô hình thực nghiệm.
- Đánh giá hiệu quả của biện pháp gia cường bằng tấm sợi
thủy tinh.
5. Phƣơng pháp nghiên cứu

- Tính tốn gia cường cho cơng trình cầu BTCT thường thực tế,
sau đó quy đổi về mơ hình dầm thí nghiệm tương đương thơng qua
độ cứng. Trên mơ hình dầm thí nghiệm này, tác giả tiến hành:
+ Nghiên cứu cơ sở lý thuyết.
+ Nghiên cứu mơ hình hóa kết cấu theo phương pháp PTHH để
ph n tích kết cấu dầm BTCT thường bằng phần mềm Abaqus.


3
+ Nghiên cứu trên mơ hình thực nghiệm.
+ So sánh, đánh giá hiệu quả gia cường.
6. Kết cấu của đề tài
Chƣơng 1: Tổng quan về các biện pháp gia cƣờng
. . Tổng quan về cầu bê tông cốt thép thường
.2. Một số biện pháp gia cường của cầu cũ hiện nay
.3. Xu hướng áp dụng của biện pháp gia cường
.4. Những vấn đề cịn gặp phải của cơng tác sửa chữa, gia cường
cầu
1.5. Kết luận
Chƣơng 2: Cơ sở lý thuyết tính tốn dầm BTCT gia cƣờng
GFRP
2. . Phương pháp tính tốn truyền thống
2.2. Phương pháp tính tốn bằng phương pháp phần tử hữu hạn
2.3. Bài tốn quy đổi
2.4. Tính tốn bằng phương pháp truyền thống
2.5. Tính tốn bằng phần mềm Abaqus
2.6. Kết luận
Chƣơng 3: Bài toán thực nghiệm và đánh giá hiệu quả gia
cƣờng
3.1. Cơ sở của bài toán thực nghiệm

3.2. Kết quả thí nghiệm
3.3. Đánh giá hiệu quả gia cường sức kháng uốn, sức kháng cắt
3.4. Kết luận
Kết luận và kiến nghị


4
Chƣơng 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC BIỆN PHÁP GIA CƢỜNG
1.1. Tổng quan về cầu bê tông cốt thép thƣờng
1.2. Một số biện pháp gia cƣờng cầu cũ hiện nay
1.2.1. Gia cường bản thép
1.2.2. Gia cường bằng căng cáp dự ứng lực ngoài
1.2.3. Tăng cường bằng mở rộng tiết diện
1.2.4. Gia cường bằng vật liệu composite
1.3. Xu hƣớng áp dụng của biện pháp gia cƣờng
Hiện nay biện pháp gia cường bằng tấm sợi GFRP đã được sử
dụng khá phổ biến ở những nước phát triển do một số đặc tính ưu
việt so với vật liệu truyền thống. Tấm sợi GFRP được đánh giá là
một trong những loại vật liệu có tính năng mang lại hiệu quả kinh tế
cao trong ngành công nghiệp xây dựng và gia cường các kết cấu cơng
trình giao thơng. Song nhìn chung trên hệ thống giao thơng đường bộ
ở nước ta, các cơng trình cầu đã đang và sắp sửa chữa, gia cường thì
xu hướng áp dụng các biện pháp gia cường bằng tấm sợi GFRP là rất
cần thiết. Phương pháp này có rất nhiều ưu điểm như thi cơng đơn
giản, nhanh chóng, khơng cần phải đập phá kết cấu, không cần sử
dụng cốp pha, đảm bảo giữ ngun hình dạng kết cấu cũ, có tính
thẩm mỹ cao
1.4. Những vấn đề cịn gặp phải của cơng tác sửa chữa, gia cường
cầu
Công tác quản lý, duy tu, sữa chữa cơng trình một số vấn đề mà

ngành GTVT của các tỉnh, các Thành phố đảm nhiệm. Tình trạng của
các cơng trình cầu cũ đặc biệt là các cơng trình cầu BTCT thường


5
ngày càng xuống cấp, g y trở ngại lớn cho vận tải. Địi hỏi cơng tác
duy tu, sửa chữa và gia cường cầu là hết sức cấp thiết. Song công tác
này cho đến nay vẫn cịn rất nhiều khó khăn, bất cập là do:
- Tổ chức cơ cấu quản lý các cơng trình cầu đã bị xuống cấp, đặc
biệt là các cơng trình cầu yếu, hư hỏng chưa có tính thống nhất rõ
ràng, Nhiều địa phương quản lý lỏng lẻo chịng chéo lên nhau, kiểm
tra khơng thường xun, khơng đánh giá đúng mức độ hư hỏng các
cơng trình cầu theo đúng thực trạng, phương pháp kiểm tra và kỹ
thuật chuẩn đốn cịn lạc hậu.
- Nguồn ng n sách hàng năm đầu tư cho cơng tác duy tu, sửa
chữa cịn hạn chế.
- Cải tiến biện pháp thi công gia cường, sửa chữa cịn nhiều hạn
chế, bằng phương pháp thủ cơng là chủ yếu.
- Lựa chọn các giải pháp gia cường, sửa chữa chưa thực sự mang
lại tính kinh tế và hiệu quả cao.
Từ những lý do trên, nhận thấy những vấn đề mà ngành GTVT
cần quan tâm là:
- Tăng cường nguồn năng lực có trình độ chun mơn về cơ chế
quản lý và phương pháp làm việc trong công tác quản lý cơng trình,
đặc biệt là các cơng trình cầu đang xuống cấp hư hỏng.
- N ng cao trình độ, kỹ thuật và áp dụng những công nghệ tiên
tiến trong công tác sửa chữa, gia cường.
- Khuyến khích nhiều nghiên cứu về các biện pháp gia cường,
sửa chữa để đề xuất các giải pháp một cách hợp lý có hiệu quả.
1.5. Kết luận

6
Tóm lại, với q trình hình thành và phát triển của việc sử dụng
kết cấu bê tông cốt thép trong x y dựng cơng trình trên thế giới cũng
như trong nước. Ngồi việc x y dựng cơng trình mới thì việc gia
cường, n ng cấp các cơng trình đã xuống cấp là rất đáng quan t m.
Trong các biện pháp gia cường hiện nay thì vật liệu GFRP có những
ưu điểm nổi trội như cường độ cao, độ bền cao, thi cơng đơn giản...
sẽ rất có tiềm năng phát triển. Vì vậy trong chương 2, tác giả sẽ tập
trung nghiên cứu cơ sở lý thuyết tính tốn kết hợp với phần mềm mơ
phỏng nhằm đưa ra kết quả chính xác để áp dụng vào cơng trình cầu
thực tế hiện nay.


7
Chƣơng 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TỐN DẦM BTCT
GIA CƢỜNG GFRP
2.1. Phƣơng pháp tính tốn truyền thống
2.1.1. Các giả thiết
2.1.2. Tính tốn dầm đối chứng
2.1.3. Tính tốn gia cường bằng GFRP
2.2. Phƣơng pháp tính tốn bằng phƣơng pháp phần tử hữu hạn
2.2.1. Cơ sở tính tốn theo phương pháp phần tử hữu hạn
2.2.2. Cơ sở lý thuyết tính tốn bằng phần mềm Abaqus
2.3. Bài toán quy đổi
2.3.1. Cơ sở quy đổi [7]
2.3.2. Bài toán nghiên cứu
2.3.3. Sức kháng uốn, kháng cắt của dầm thực tế chưa gia cường
2.3.4 Tính tốn gia cường GFRP dầm thực tế:

2.4.Tính tốn bằng phƣơng pháp truyền thống
2.4.1. Sức kháng uốn, kháng cắt dầm đối chứng thực nghiệm
2.5. Tính tốn bằng phần mềm Abaqus
2.5.1. Mơ hình bằng phần mềm Abaqus
2.6. Kết luận
- Trong chương 2, dựa trên tiêu chuẩn ACI 440; 22 TCN 272-05
và cơ học cổ điển, tác giả đã tính tốn sức kháng uốn và kháng cắt,
diễn biến ứng suất, độ võng của dầm trước và sau khi gia cường
GFRP. Bên cạnh đó, tác giả đã tính tốn theo phương pháp PTHH
bằng việc sử dụng phần mềm Abaqus để mô phỏng sự làm việc của
dầm. Kết quả tính tốn lý thuyết cho ta khối lượng vật liệu cần thiết


8
để gia cường sức kháng của dầm (dầm thực tế và dầm mơ hình). Mơ
men giới hạn theo tính tốn lý thuyết tăng 29,57%, theo kết quả phân
tích phần mềm tăng 32,92% và lực cắt giới hạn theo tính tốn lý
thuyết tăng 53,45%, để kiểm chứng bằng thực nghiệm, tác giả tiến
hành gia cường trên dầm mơ hình và đo đạc hiệu quả thực tế. Quá
trình tiến hành thực nghiệm, đo đạc, so sánh với kết quả đã tính tốn
lý thuyết và phần mềm sẽ được thực hiện ở chương 3.


9
Chƣơng 3: BÀI TOÁN THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ
HIỆU QUẢ GIA CƢỜNG
3.1. Cơ sở của bài toán thực nghiệm
3.1.1. Quá trình chế tạo dầm thí nghiệm
3.1.2. Q trình gia cường
3.1.3. Q trình thí nghiệm

3.2. Kết quả thí nghiệm
3.2.1. Kết quả thí nghiệm q trình nén tạo nứt
Nhằm mơ phỏng sự làm việc của dầm cũ, tiến hành nén tạo
nứt trước khi gia cường để mô phỏng gần đúng với thực tế sự làm
việc của cầu bê tông cốt thép cũ và vật liệu gia cường.

Hình 3-17: Quan hệ tải trọng – độ võng quá trình nén tạo nứt dầm


10

Hình 3-18: Quan hệ tải trọng - ứng suất quá trình nén tạo nứt dầm
Nhận xét:
Dựa vào biểu đồ hình 3.16 và 3.17, ta thấy sai số giữa thực
nghiệm và tính tốn lý thuyết tương đối nhỏ (sai số trung bình của độ
võng là 15,10, sai số trung bình của ứng suất là 7,11%)
3.2.2. Kết quả thí nghiệm dầm chưa gia cường
Để đánh giá hiệu quả các biện pháp gia cường, tiến hành thí
nghiệm trên dầm chưa gia cường để đối chứng.

Hình 3-19: Quan hệ tải trọng - ứng suất dầm đối chứng


11

Hình 3-20: Quan hệ tải trọng - độ võng dầm đối chứng
Nhận xét:
Dựa vào biểu đồ quan hệ tải trọng – độ võng hình 3.19, ta thấy
khi cấp tải P < 10 kN (dầm chưa nứt), sai số giữa thực nghiệm, lý
thuyết và phần mềm là tương đối nhỏ. Khi P > 10 kN, vết nứt phát

triển phức tạp, sai số lớn dần.
3.2.3. Kết quả thí nghiệm dầm gia cường GFRP

Hình 3-21: Quan hệ tải trọng - ứng suất dầm gia cường GFRP


12

Hình 3-22: Quan hệ tải trọng - độ võng dầm gia cường GFRP

Hình 3-23: Quan hệ tải trọng - độ võng theo kết quả thực nghiệm
Nhận xét:
- Dựa vào biểu đồ quan hệ tải trọng - ứng suất hình 3.20, ta thấy
sai số giữa đo đạc thực nghiệm và tính toán lý thuyết là 39,89%, sai
số đo đạc thực nghiệm và phần mềm là 46,33%, sai số này lớn do sai
số đo đạc trong q trình thí nghiệm.


13
- Dựa vào biểu đồ quan hệ tải trọng - độ võng hình 3.2 , ta thấy
sai số giữa đo đạc thực nghiệm và tính tốn lý thuyết là 9,36%, sai
số giữa đo đạc thực nghiệm và phần mềm là 5, 3%. Sự sai khác này
là do khi biểu đồ ứng suất ở dạng phi tuyến nhưng tính tốn lý thuyết
tác giả nội suy ứng suất theo biểu đồ tuyến tính để xét đến sự giảm
độ cứng của tiết diện.
- Dựa vào biểu đồ quan hệ tải trọng - ứng suất hình 3. 9, ta thấy
khi tải trọng đạt 30kN, theo kết quả tính tốn lý thuyết và phần mềm
thì cốt thép đạt cường độ giới hạn, toàn bộ ứng suất do tăng tải trọng
truyền vào GFRP làm ứng suất trong tấm sợi tặng đột ngột đến khi
đứt.

- Dựa vào biểu đồ quan hệ tải trọng-độ võng của dầm đối chứng
và dầm gia cường GFRP hình 3.22, ta thấy dầm gia cường GFRP hạn
chế độ 25,65% độ võng.
3.2.4. Kết quả thí nghiệm dầm gia cường GFRP bằng keo
sikadur 330 và keo TCK 1400
Nhằm kiểm chứng sự làm việc của 2 loại keo Sikadur 330 và
keo Epoxy TCK 1400 với tấm sợi GFRP bằng thực nghiệm, ta tiến
hành thí nghiệm gia cường kháng uốn với 2 loại keo trên.

Hình 3-24: Quan hệ tải trọng - ứng suất dầm gia cường GFRP


14

Hình 3-25: Quan hệ tải trọng – độ võng dầm gia cường GFRP
Nhận xét:
Dựa vào biểu đồ hình 3.23 và hình 3.24 ta thấy ứng suất và
độ võng của GFRP trong 2 dầm xấp xỉ nhau. Sai số khá nhỏ và dầm
phá hoại khi GFRP bị đứt nên có thể sử dụng 1 trong 2 loại keo để
dán GFRP.
3.3. Đánh giá hiệu quả gia cƣờng sức kháng uốn, kháng cắt
Bảng 3-1: Momen giới hạn
Mômen
giới hạn
(N.mm)
Đối
chứng
Dán tấm
GFRP
Hiệu

quả

Lý thuyết

Phần
mềm

Thực
nghiệm

Độ dự
trữ lý
thuyết
và thực
nghiệm

15241133

13667500

18667500

-

-

19747882

18167500

21667500

9,72%

19,27%

29,57%

32,92%

16,07%

Độ dự
trữ phần
mềm và
thực
nghiệm


15
Bảng 3-2: Lực cắt giới hạn
Lực cắt
Giới hạn

Lý thuyết

Thực nghiệm

Đối chứng

33061

54262.4

Dán tấm GFRP

50732

55062

Hiệu quả

53,45%

1,47%

(N)

Nhận xét:
- Từ bảng so sánh momen giới hạn trên ta thấy lý thuyết nhỏ
hơn thực nghiệm là do có xét đến các hệ số an tồn. Mơ men giới hạn
có độ dữ trữ an tồn giữa lý thuyết và thực nghiệm của dầm gia
cường GFRP là 9,72%, độ dữ trữ an toàn giữa phần mềm và thực
nghiệm là 9,27%.
- Từ kết quả momen giới hạn của dầm BTCT gia cường GFRP,
ta thấy sức kháng uốn theo lý thuyết tăng 29,57%, theo phần mềm
tăng 32,93% và thực nghiệm tăng 6,07%. Qua đó có thể thấy việc
gia cường kháng uốn GFRP cãi thiện đáng kể khả năng kháng uốn
của dầm.
- Từ bảng so sánh lực cắt giới hạn trên ta thấy theo lý thuyết

thì hiệu quả gia cường là 53.45% nhưng thực nghiệm thì tăng khơng
đáng kể ( .47%). Vì vậy cần tiến hành thêm thí nghiệm để kiểm tra
hiệu quả gia cường kháng cắt bằng GFRP.
3.4. Kết luận
- Trong chương 3 đã đo đạc số liệu thực nghiệm về giới hạn kháng
uốn, giới hạn kháng cắt, diễn biến ứng suất, độ võng của dầm đối
chứng và dầm gia cường. Từ đó đã cho thấy khả năng cải thiện sức
kháng uốn và độ võng của tấm sợi thủy tinh. Sau đó, so sánh thực


16
nghiệm và kết quả lý thuyêt; phần mềm để khẳng định độ tin cậy của
phương pháp tính tốn. Kết quả này là cơ sở để gia cường cơng trình
cầu thực tế và so sánh hiệu quả đối với các phương pháp gia cường
khác.
- Ngoài ra, tác giả đã so sánh ứng suất, độ võng và momen giới hạn
thực nghiệm của dầm gia cường GFRP bằng 2 loại keo Sikadur 330
và Epoxy TCK 1400. Từ đó kết luận sự làm việc tương đương của 2
loại keo về mặt kỹ thuật.


17
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Gia cường cầu bê tông cốt thép thường sử dụng tấm sợi thủy tinh
là một phương pháp gia cường đơn giản, có thể thực hiện nhanh
chóng với mức kinh phí tương đối thấp khơng làm tăng kích thước
của cấu kiện. Kết quả đánh giá hiệu quả gia cường cầu bê tông cốt
thép thường sử dụng tấm sợi thủy tinh bằng thực nghiệm, lý thuyết và
phần mềm Abaqus cho thấy phương pháp gia cường này làm tăng
đáng kể khả năng kháng uốn của dầm.

Sau khi tiến hành nghiên cứu biện pháp gia cường theo phương
pháp tính tốn truyền thống, theo phương pháp phần từ hữu hạn và
mô hình thực nghiệm đề tài thu được các kết quả cụ thể như sau:
- Sức kháng uốn thực nghiệm tăng 6,07%, độ võng giảm 25,65%
khi gia cường kháng uốn GFRP. Từ đó cho thấy hiệu quả gia cường
kháng uốn GFRP.
- Sức kháng cắt thực nghiệm tăng không đáng kể (1,47%) vì vậy
cần tiến hành thì nghiệm trên nhiều mẫu để kiểm tra lại.
- Mơ men giới hạn có độ dự trữ an toàn giữa lý thuyết và thực
nghiệm của dầm gia cường GFRP là 9,72%, độ dự trữ an toàn giữa
phần mềm và thực nghiệm từ 19,27%. Từ đó khẳng định độ tin cậy
của phương pháp tính tốn.
- Kiểm chứng bằng thực nghiệm cho thấy khi dán GFRP bằng keo
Sikadur 330 hoặc keo Epoxy TCK 400 thì khơng có sự tách lớp và
dầm làm việc đến khi vật liệu gia cường bị phá hoại. Hiệu quả gia


18
cường GFRP bằng 2 loại keo là tương đương nhau nên việc lựa chọn
loại keo phụ thuộc vào giá thành sản phẩm.
Bên cạnh đó, cần tiếp tục có những nghiên cứu về độ bền của
dạng vật liệu GFRP dưới tác động của tác nh n môi trường, cụ thể là
dưới tác động của độ ẩm, tia tử ngoại và các tác nh n ăn mịn dưới
điều kiện khí hậu của Việt Nam. Ngoài ra, nghiên cứu về độ mỏi của
dầm gia cường ứng với các tải trọng khác nhau.