Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu lớp mặt cầu bằng bê tông tính năng siêu cao gia cường cốt sợi thép (UHPFRC) trên bản thép trực hướng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

ĐẶNG VĂN SỸ

NGHIÊN CỨU LỚP MẶT CẦU BẰNG BÊ TÔNG
TÍNH NĂNG SIÊU CAO GIA CƯỜNG CỐT SỢI
THÉP (UHPFRC) TRÊN BẢN THÉP TRỰC HƯỚNG

Chuyên ngành: Xây dựng công trình đặc biệt
Mã số: 62.58.02.06

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI, 2017


Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Giao thông vận tải

Người hướng dẫn khoa học:
1. GS.TS. Phạm Duy Hữu
2. TS. Trần Việt Hùng

Phản biện 1:
Phản biện 2:
Phản biện 3:

Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Trường
họp tại: Trường Đại học Giao thông vận tải vào hồi ….. giờ ….. ngày
….. tháng ….. năm 2017

Có thể tìm hiểu luận án tại:
1. Thư viện Trường Đại học Giao thông vận tải
2. Thư viện Quốc gia


1
MỞ ĐẦU
1. Lý do lựa chọn đề tài
Kết cấu mặt cầu bản thép trực hướng (OSD) với ưu điểm trọng lượng
bản thân nhỏ, độ cứng lớn, thi công nhanh, đã được ứng dụng thành công
cho hàng ngàn cây cầu trên thế giới.
Thực tế khai thác cho thấy, do sự xuống cấp của vật liệu làm lớp phủ, sự
gia tăng của tải trọng xe chạy làm xuất hiện các hư hỏng: ở lớp phủ mặt cầu,
tại các mối hàn, bản mặt cầu thép, sườn dầm thép. Các hư hỏng này làm
giảm chất lượng khai thác và tuổi thọ công trình. Vấn đề đặt ra là tìm biện
pháp để tăng cường, sửa chữa, kéo dài tuổi thọ các công trình cầu cũ đã xuất
hiện các hư hỏng nêu trên và đề xuất những điều chỉnh trong thiết kế đối với
các công trình cầu mới.
Xu hướng chung để giải quyết vấn đề này là sử dụng một lại lớp phủ
mặt cầu bằng bê tông cốt sợi nhằm tăng độ cứng của kết cấu, giảm ứng suất
gây mỏi tại các vị trí bất lợi. Hướng nghiên cứu này đã được nghiên cứu,
ứng dụng ở Nhật Bản, Hà Lan, Mỹ, Trung Quốc [44], [46], [50], [73], [77].
Luận án nghiên cứu nhằm: Chế tạo bê tông tính năng siêu cao gia cường
cốt sợi (UHPFRC) từ nguồn vật liệu trong nước; xác định mô hình ứng xử
uốn; nghiên cứu ứng xử uốn của UHPFRC trên bản thép trực hướng và đề
xuất một loại lớp phủ mặt cầu mới trên bản thép trực hướng ở Việt Nam.
2. Mục đích nghiên cứu
- Lựa chọn vật liệu, thiết kế thành phần UHPFRC từ các vật liệu sẵn có
ở Việt Nam (UHPFRC-V). Xác định tính năng cơ học, mô hình ứng xử
uốn của UHPFRC-V từ các thí nghiệm chuẩn.

- Nghiên cứu ứng xử uốn của UHPFRC-V trên bản thép, thiết lập mô
hình ứng xử uốn của UHPFRC-V trên bản thép để tính toán kết cấu.
- Đề xuất mô hình sử dụng UHPFRC-V, đánh giá hiệu quả của giải pháp
áp dụng UHPFRC-V trong việc giảm ứng suất, biến dạng kết cấu OSD.


2
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Ứng xử uốn của UHPFRC-V trên mẫu chuẩn, uốn âm của mặt cắt liên
hợp “bản thép - UHPFRC-V”.
- Ứng xử cục bộ của kết cấu OSD có lớp phủ bằng UHPFRC-V chịu tải
trọng bánh xe bằng phương pháp PTHH. Không xét ảnh hưởng của nhiệt độ
trong ứng xử của kết cấu OSD có lớp phủ bằng UHPFRC-V.
4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của Luận án
Ý nghĩa khoa học của Luận án:
Lựa chọn thành phần UHPFRC-V, xây dựng mô hình ứng xử uốn của
UHPFRC-V phục vụ tính toán, phân tích kết cấu.
Phân tích ứng xử của UHPFRC-V trên bản thép trực hướng, đề xuất mô
hình ứng dụng UHPFRC-V trên mặt cầu thép trực hướng ở Việt Nam.
Ý nghĩa thực tiễn của Luận án:
Đề xuất mô hình sử dụng UHPFRC-V trên kết cấu OSD, làm tiền đề cho
việc nghiên cứu, ứng dụng UHPFRC-V trong xây dựng cầu ở Việt Nam.
5. Phương pháp nghiên cứu
Luận án sử dụng kết hợp phương pháp nghiên cứu lý thuyết, thực
nghiệm và ứng dụng phương pháp PTHH trong phân tích kết cấu.
6. Nội dung, kết cấu của luận án
Luận án gồm bản thuyết minh 140 trang bao gồm 4 chương, phần mở
đầu và phần kết luận và tập Phụ lục 57 trang trình bày các kết quả thí
nghiệm, chương trình và kết quả tính toán trong luận án.
Chương 1: Tổng quan về UHPFRC và các nghiên cứu ứng dụng trên bản

thép trực hướng.
Chương 2: Thành phần và tính năng của bê tông tính năng siêu cao gia
cường cốt sợi.
Chương 3: Nghiên cứu thực nghiệm ứng xử uốn âm của UHPFRC-V
trên bản thép.
Chương 4: Phân tích ứng xử kết cấu bản thép trực hướng có lớp phủ
UHPFRC-V.


3
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BÊ TÔNG TÍNH NĂNG SIÊU CAO
GIA CƯỜNG CỐT SỢI VÀ CÁC NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG TRÊN
BẢN THÉP TRỰC HƯỚNG
1.1. Mở đầu
Bê tông tính năng siêu cao gia cường cốt sợi (UHPFRC) là một loại vật
liệu được nghiên cứu và phát triển trên thế giới từ năm 1990, đặc tính của
bê tông này là có cường độ nén từ 100 đến hơn 200MPa [16], [70], [71],
khả năng chịu uốn, cắt cao, khả năng chịu tác động va chạm, chịu tải trọng
lặp rất lớn và có độ bền và sự ổn định lâu dài hơn so với bê tông truyền
thống.
1.2. Thành phần, tính năng của UHPFRC
1.2.1. Thành phần của UHPFRC
Thành phần vật liệu chủ yếu của UHPFRC bao gồm: Cát quartz, bột
quartz, muội silic, sợi thép, phụ gia siêu dẻo và nước. Trong đó:
- Xi măng (X): CEM 42,5 I N(thế giới), PC40(Việt Nam), khối lượng
(700÷1100) kg/m3, xu hướng sử dụng ≤ 900 kg/m3.
- Muội silic: Hàm lượng (10÷30)% khối lượng xi măng, nhiều nghiên
cứu kết luận tỷ lệ 25% là tối ưu [30], [60], [69], [70], [71].
- Cát quartz (C): C/X = 0,7 ÷ 1,42. Cỡ hạt 0 ÷ 0,6 mm.
- Bột quartz: cỡ hạt tương đương xi măng, được sử dụng để thay thế một

phần xi măng, thường không quá 30% lượng xi măng.
- Sợi thép: 0÷6 % thể tích của bê tông. Hàm lượng hợp lý là 2% [40],
[60], [65], [73].
- Tỷ lệ N/X thường sử dụng từ 0,16 ÷ 0,24.
1.2.2. Tính năng cơ học của UHPFRC
Tổng hợp tính năng cơ học của UHPFRC từ các báo cáo ở 3 Hội thảo
chuyên đề về UHPC [70], [71], [72] trên Bảng 1.5.


4
Bảng 1.5. Tổng hợp các tính năng cơ học của UHPFRC
Tính năng
Cường độ nén (MPa)

Miền giá trị
100 - 200

Cường độ kéo nứt (MPa)

6 - 10

Mô đun đàn hồi (GPa)

40 - 70

Hệ số poisson
Hệ số giãn nở nhiệt

0,2
(10 - 15).10-6/0C

Hệ số từ biến
Đặc trưng từ biến (Specific creep)
Co ngót tổng
(co ngót khô + co ngót nội sinh)

0,2 - 0,8
(6 - 45).10-6/MPa
900.10-6

1.2.3. Tính năng về độ bền của UHPFRC
Tính năng độ bền của bê tông được thể hiện thông qua khả năng chống
thấm ion clo, thấm nước, cacbonat hóa, độ bền sun phát, các tác động của
môi trường biển,... Các nghiên cứu cho thấy với tỷ lệ N/X thấp (0,18 ÷ 0,22)
và độ đặc chắc cao, các tính năng độ bền của UHPFRC lớn hơn nhiều so với
các loại bê tông truyền thống.
1.3. Mô hình ứng xử uốn thiết kế của UHPFRC
Ứng xử uốn thiết kế của UHPFRC được thể hiện bằng biểu đồ quan hệ
ứng suất - biến dạng khi chịu nén, kéo khi uốn. Cho đến nay, Các Tiêu
chuẩn, chỉ dẫn thiết kế kết cấu UHPFRC đã được ban hành ở Pháp AFGC
[23], Nhật bản JSCE [59], Australia [40], Mỹ [18].
Ở Việt Nam, đã có những nghiên cứu thực nghiệm về ứng xử cơ học của
dầm UHPFRC của Nguyễn Lộc Kha (2011) [5], ứng xử của bản của
Nguyễn Công Thắng (2013) [11], Trần Bá Việt và cộng sự (2015) [14]. Tuy
nhiên việc nghiên cứu, thiết lập mô hình của UHPFRC Việt Nam còn hạn
chế. UHPFRC cũng đã được sử dụng trong cầu Đập Đá (Hậu Giang), cầu
Năng An - Xuân Hồi (Ninh Bình). Tuy nhiên, các công trình cầu này được
thiết kế theo chỉ dẫn của viện KICT, Hàn Quốc (2014) [72].

5
1.4. Lớp phủ mặt cầu bản thép trực hướng bằng bê tông cốt sợi
1.4.1. Giới thiệu về mặt cầu trực hướng và lớp phủ mặt cầu
Hệ thống kết cấu cầu OSD với hai dạng cấu tạo là: Sườn kín và sườn hở
đã được sử dụng thành công cho nhiều công trình cầu trên thế giới. Ở Việt
Nam cầu Thăng Long - Hà Nội, cầu Thuận Phước- Đà Nẵng, cầu Cần Thơ
cũng sử dụng loại mặt cầu này [12].
Trong kết cấu OSD, lớp phủ có vai trò quan trọng trong việc bảo vệ kết
cấu OSD và đảm bảo cho xe chạy êm thuận qua cầu. Có 3 nhóm vật liệu
[36]: Nhóm thứ nhất: Lớp phủ mặt cầu asphalt; Nhóm thứ hai: Lớp phủ
mặt cầu polymer; Nhóm thứ ba: Lớp phủ mặt cầu bằng bê tông cốt sợi.
1.4.2. Ứng dụng mặt cầu trực hướng
Các ứng dụng kết cấu OSD bao gồm: Cầu dầm, cầu dàn, cầu treo nhịp
lớn, thay thế mặt cầu cũ và cầu di động, [12], [36].
1.4.3. Các hư hỏng của mặt cầu thép trực hướng
Hư hỏng trên kết cấu OSD đã được phát hiện và thu hút sự quan tâm
trên phạm vi toàn thế giới. Trong số các hư hỏng được quan sát, vết nứt
trong bản thép và đường hàn tại nơi giao nhau giữa bản thép và sườn dọc
được đánh giá là phổ biến và nghiêm trọng nhất [50], [74], [76] …
1.4.4. Các mô hình sử dụng lớp phủ mặt cầu bằng bê tông cốt sợi
Để kéo dài tuổi thọ của các cây cầu OSD đã xuất hiện hư hỏng, xu
hướng sử dụng lớp phủ mặt cầu bằng bê tông cốt sợi. Các mô hình đã được
nghiên cứu: Lớp phủ bằng SFRC dày 75mm, liên kết với bản thép bằng keo
epoxy [50]; lớp phủ bằng UHPC 180MPa, liên kết với bản thép bằng keo
epoxy rắc cốt liệu thô bô xít 3x4 (mm2) [77]; Lớp phủ lắp ghép bằng
UHPFRC 180 MPa dày 35 mm, liên kết với bản thép bằng keo epoxy ở
dưới bản lắp ghép [56]; lớp phủ bằng FRC 2% cốt sợi, liên kết với bản thép
bằng phun cát bề mặt [74]; lớp phủ bằng UHPFRC 150 MPa, 2% sợi thép,
liên kết với bản thép bằng keo epoxy rắc cốt liệu thô [68].

6
1.4.5. Các nghiên cứu về lớp phủ BTCS trên bản thép trực hướng
- Nghiên cứu về dính bám, sự làm việc chung của 2 vật liệu đã được
thực hiện thông qua thí nghiệm kéo trực tiếp [36], [46], [68] và thí nghiệm
uốn 3 điểm [36], [37], [46]. Kết quả cho thấy, liên kết bằng keo, rắc cốt liệu
thô đáp ứng yêu cầu của các Tiêu chuẩn hiện hành.
- Thí nghiệm mỏi: Được Buitelaar [30], Murakoshi [50], Marchand [56]
thực hiện bằng thí nghiệm tải trọng bánh xe trên mẫu kết cấu lớn và trên
mẫu nhỏ chịu uốn âm. Kết quả nghiên cứu cho thấy không xuất hiện hư
hỏng do mỏi trên mẫu.
1.5. Xác định vấn đề nghiên cứu của Luận án.
1.5.1. Nhận xét
Từ kết quả nghiên cứu tổng quan, các nhận xét được rút ra như sau:
- Về thành phần, tính năng và mô hình vật liệu của UHPFRC
Chưa có nghiên cứu nào công bố mô hình ứng xử của UHPFRC Việt
Nam ứng dụng trong tính toán, phân tích kết cấu trên bản thép trực hướng.
- Về dính bám, sự làm việc chung của 2 loại vật liệu
Trong các hình thức dính bám nêu trên, liên kết bằng keo epoxy rắc cốt liệu
thô sẽ giảm ứng suất tập trung trên mặt cầu, ít tốn thời gian thi công [37], [46],
[50], [68], [77]. Loại liên kết này đã áp dụng thực tế ở Hà Lan [27], [37].
- Về khả năng chịu mài mòn, độ bền lâu, sức kháng va chạm.
UHPFRC-V với cấu trúc đặc chắc, sử dụng sợi phân tán mịn làm cho khả
năng chịu mài mòn, độ bền lâu vượt trội so với các loại bê tông truyền thống.
- Về chiều dày của lớp phủ mặt cầu
Chiều dày lớp phủ trong các nghiên cứu: 35 ÷ 80 mm. Cần đề xuất chiều
dày sử dụng thích hợp với vật liệu là UHPFRC ở Việt Nam.
- Về hiệu quả kinh tế - kỹ thuật
Kéo dài tuổi thọ, nâng cao khả năng chịu tải của kết cấu cầu trong điều
kiện tải trọng ngày càng tăng sẽ mang lại hiệu quả kinh tế - kỹ thuật tốt. Cần

tập trung chứng minh được hiệu quả về mặt kỹ thuật của giải pháp.


7
1.5.2. Các vấn đề đề tài tập trung nghiên cứu
- Lựa chọn vật liệu, thiết kế thành phần bê tông UHPFRC-V, xây dựng
mô hình ứng xử uốn của UHPFRC-V.
- Thực nghiệm ứng xử uốn của lớp phủ mặt cầu bằng UHPFRC-V trên
bản thép, xây dựng mô hình ứng xử uốn UHPFRC-V trên bản thép.
- Đề xuất mô hình ứng dụng UHPFRC-V cho kết cấu OSD. Đánh giá
hiệu quả trong việc giảm ứng suất, biến dạng trong kết cấu mặt cầu.
CHƯƠNG 2: THÀNH PHẦN VÀ TÍNH NĂNG CỦA BÊ TÔNG TÍNH
NĂNG SIÊU CAO GIA CƯỜNG CỐT SỢI
2.1. Đặt vấn đề
Mục tiêu thiết kế: Cường độ nén 110 MPa, mô đun đàn hồi 40GPa, độ
chảy 500mm trong điều kiện bảo dưỡng không xử lý nhiệt, phù hợp với
điều kiện thi công đổ tại chỗ trên kết cấu mặt cầu OSD.
Phương pháp thiết kế thành phần dựa trên lý thuyết tối ưu về độ đặc của
De Larrard [50]. Thí nghiệm, phương pháp phân tích được thực hiện theo
chỉ dẫn của AFGC [23]. Các nghiên cứu thực nghiệm được tiến hành tại
trường Đại học Giao thông vận tải.
2.2. Vật liệu chế tạo
Xi măng PC40; Phụ gia siêu dẻo PolyCarboxylat 3000-20M; muội silic
Sikacrete PP1; cát với cỡ hạt lớn nhất là 0,6mm; bột Quartz đường kính hạt
trung bình 27,9 m; Sợi thép đường kính D = 0,2 ÷ 0,25 mm, chiều dài 13
mm, giới hạn chảy lớn hơn 2850 MPa. Các vật liệu này đều thỏa mãn các
tiêu chuẩn hiện hành, phù hợp để chế tạo UHPFRC.
2.3. Thiết kế thành phần UHPFRC-V.
Thành phần UHPFRC-V được thiết kế dựa trên lý thuyết tối ưu hóa độ
đặc của Larrard và Sedran[54]. Thành phần UHPFRC-V, Bảng 2.12 với xi

măng 900 kg/m3, các vật liệu còn lại theo tỷ lệ khối lượng với xi măng.


8
Bảng 2.11. Thành phần UHPFRC-V theo tỷ lệ khối lượng xi măng
Xi
Cát
Bột
Muội
Phụ gia
Sợi thép Nước
măng
quarzt
Quarzt
Silic
siêu dẻo
PC40
(0-0,63)
1
1,1
0,111
0,25
0,0203
0,178
0,20
2.4. Chế tạo UHPFRC-V
Bê tông được chế tạo tại Phòng thí nghiệm Vật liệu xây dựng, Trường
Đại học Giao thông vận tải bằng máy trộn cưỡng bức có dung tích 180 lít,
mỗi lần trộn 60lít. Các mẫu thí nghiệm cường độ nén, mô đun đàn hồi, uốn
4 điểm được đúc và bảo dưỡng trong điều kiện phòng, không xử lý nhiệt.

2.5. Thí nghiệm cường độ nén, mô đun đàn hồi của UHPFRC-V
2.5.1. Xác định cường độ nén
- Cường độ nén 7 ngày trung bình 76,72 MPa, đặc trưng 72,20 MPa.
- Cường độ nén 28 ngày trung bình 121,97 MPa, đặc trưng 118,54 MPa.
- Cường độ nén 7 ngày bằng 62,9 % cường độ nén 28 ngày tuổi.
2.5.2. Thí nghiệm mô đun đàn hồi
Mô đun đàn hồi trung bình của 6 mẫu thử, Ecm = 42548 MPa.
2.6. Thí nghiệm uốn mẫu UHPFRC-V
Kết quả thí nghiệm uốn 4 điểm trên 6 mẫu dầm 150x150x600 mm3, thu
được 6 biểu đồ tải trọng - độ võng (Hình 2.11). Từ đó xác định được cường
độ kéo uốn ở vết nứt đầu tiên (Bảng 2.21) theo chỉ dẫn của AFGC [23] .

SU2
SU4

SU1
SU5

SU3
SU6

Hình 2.11. Biểu đồ tải trọng - độ võng từ thí nghiệm uốn 4 điểm


9
Bảng 2.21. Cường độ chịu kéo uốn ứng với vết nứt đầu tiên
Tên
mẫu

P*

(kN)

*
(mm)

Biến
dạng đàn
hồi (.10-6)

fct.el.i

SU1

63.15

0.0564

198

8.42

SU2

66.75

0.0580

209

8.90

SU3
SU4
SU5
SU6

53.63
55.88
65.40
55.43

0.0532
0.0508
0.0577
0.0494

168
175
205
174

7.15
7.45
8.72
7.39

fct.el (MPa)
Trung
Độ lệch
bình

chuẩn

8.01

0.76

Đặc
trưng

6.47

2.7. Xác định ứng xử kéo uốn của UHPFRC-V
2.7.1. Phân tích ngược xác định ứng xử kéo uốn của UHPFRC-V
Quan hệ ứng suất - biến dạng của UHPFRC-V được xác định bằng
phương pháp phân tích ngược biểu đồ tải trọng - độ võng thí nghiệm uốn 4
điểm (theo chỉ dẫn của AFGC 2013, [23]). Xây dựng chương trình phân tích
ngược trên phần mềm Excel. Kết quả phân tích là quan hệ ứng suất biến
dạng sau nứt của UHPFRC-V (Hình 2.23), với các giá trị: Cường độ chịu
kéo sau nứt 6,88 MPa; cường độ chịu kéo uốn ở vết nứt đầu tiên: fctk,el =
6,47 MPa; biến dạng giới hạn đàn hồi: 0,000168 ÷ 0,000209; biến dạng nơi
vết nứt cục bộ bắt đầu mở rộng: 0,00354 ÷ 0,0047.

Hình 2.23. Biểu đồ ứng suất - biến dạng trung bình, đặc trưng của 6 mẫu


10
2.7.2. Mô hình ứng xử kéo uốn của UHPFRC-V:
Mô hình ứng xử kéo uốn của UHPFRC-V được xây dựng từ kết quả thí

Ứng suất (MPa)

Ứng suất (MPa)

nghiệm uốn 4 điểm theo chỉ dẫn của AFGC (2013) như Hình 2.24.
6,88
4,7

0,11

Biến dạng (0/00)

(MPa)
67,17
E = 42,5 GPa

1.6
3
Biến dạng (0/00)

3,5

Hình 2.24. Mô hình ứng xử kéo
uốn của UHPFRC-V



Hình 2.26. Mô hình ứng xử nén
của UHPFRC-V

2.7.3. Mô hình ứng xử nén của UHPFRC-V

Ứng xử nén được xây dựng từ kết quả thí nghiệm theo chỉ dẫn của
AFGC (2013), kết quả thể hiện trên Hình 2.26.

Tải trọng (kN)

2.7.4. Phân tích bằng phương pháp PTHH
Phân tích PTHH để: Kiểm chứng kết quả phân tích ngược; xác định sự
phù hợp của phần mềm, loại phần tử, mô hình vật liệu dự kiến sử dụng cho
việc phân tích kết cấu ở Chương 4 của Luận án.
Kết quả phân tích thí nghiệm uốn 4 điểm bằng PTHH được so sánh với
biểu đồ thí nghiệm (Hình 2.28). Kết quả cho thấy có tương quan tốt giữa
phân tích PTHH và kết quả thí nghiệm, sai số 4,108% ÷ 13,78 %.
140
130
120
110
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0

KQTN mẫu  S1
KQTN mẫu  S2

KQTN mẫu  S3
KQTN mẫu  S4
KQTN mẫu  S5
KQTN mẫu   S6
Đường trung bình KQTN

PTHH (Mô hình (1) )
PTHH (Mô hình  (2))

0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

0.70

0.80

Độ võng (mm)

c) Biểu đồ tải trọng - độ võng

Hình 2.28. Kết quả mô hình thí nghiệm uốn 4 điểm bằng Midas Fea


11
CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ỨNG XỬ UỐN ÂM
CỦA UHPFRC-V TRÊN BẢN THÉP
3.1. Mở đầu
Mục tiêu của Chương 3:
- Xác định được quan hệ mô men âm của mặt cắt liên hợp với các giá trị
biến dạng kéo và bề rộng vết nứt khác nhau trên lớp phủ bằng UHPFRC-V.
- Xác định mô hình ứng xử của UHPFRC-V trên bản thép. Mô hình
được kiểm chứng bằng phương pháp PTHH. Mô hình được xây dựng sẽ sử
dụng để phân tích ứng xử trên kết cấu OSD kích thước thật ở Chương 4..
3.2. Mô hình ứng dụng UHPFRC-V trên mặt cầu trực hướng
Luận án đề xuất mô hình ứng dụng UHPFRC-V trên bản thép trực
hướng (Hình 3.1), với: UHPFRC-V có chiều dày dự kiến: 50, 60, 70mm
(tùy theo tải trọng khai thác, cự ly giữa các sườn dọc và yêu cầu thiết kế).

Hình 3.1. Mô hình ứng dụng UHPFRC-V trên bản thép trực hướng
3.3. Lựa chọn mô hình thí nghiệm:
Luận án tham khảo mô hình thí nghiệm của Murakoshi [50] (Hình 3.2).

Hình 3.2. Mô hình thí nghiệm bản liên hợp chịu mô men âm
Chiều cao lớp phủ được lựa chọn: hu = 50, 60, 70 mm.


12
3.4. Chuẩn bị mẫu thí nghiệm
3.4.1. Vật liệu chế tạo

Vật liệu chế tạo gồm UHPFRC-V có thành phần được thiết kế ở Chương
2 luận án (Bảng 2.11); bản thép kích thước 450x500x12 (mm3); cốt thép 8;
Keo epoxy Sikadur 731; đá granite kích cỡ 3x4 (mm2).
3.4.2. Chế tạo mẫu thí nghiệm
Cấu tạo các tổ mẫu, nội dung thí nghiệm thể hiện trên Bảng 3.2.
Bảng 3.2. Nội dung thí nghiệm uốn mẫu bản liên hợp
Tổ mẫu Tên mẫu
S50

S50.0

S60

S70

S50-1
S50-2
S50-3
S50.0-1
S50.0-2
S50.0-3
S60-1
S60-2
S60-3
S70-1
S70-2
S70-3

Bố trí
Chiều dày

Nội dung thí nghiệm
cốt thép UHPFRC-V (mm)
x
50
x
50
Thí nghiệm uốn 3 điểm, thu thập:
x
50
0
50
- Biểu đồ tải trọng - độ võng;
0
50
- Biểu đồ tải trọng - biến dạng
0
50
mặt trên UHPFRC-V;
x
60
x
60
- Biểu đồ tải trọng - biến dạng
x
60
tách
lớp;
x
70
x

70
- Quan sát hiện tượng phá hoại.
x
70

Việc chế tạo mẫu thí nghiệm theo các bước sau: Làm sạch bề mặt tấm
thép; thi công lớp dính bám Sikadur 731; đổ lớp phủ UHPFRC-V; bảo
dưỡng mẫu bằng cách phủ bao tải, tưới nước dưỡng ẩm.
3.5. Phương pháp và trình tự thí nghiệm

Hình ảnh lá dán đo biến dạng

Hình 3.7. Sơ đồ, hình ảnh gán thiết bị đo lên mẫu


13
Các thiết bị, sơ đồ bố trí thiết bị thí nghiệm (Hình 3.7). Thiết bị đo: Cảm
biến đo biến dạng mặt trên UHPFRC-V; cảm biến đo biến dạng mặt bên
mẫu; đo độ võng; load cell đo lực. Thông số đo được đồng bộ theo thời
gian. Tốc độ gia tải tham khảo AFGC, với tốc độ 0,25mm/ phút.
3.6. Kết quả thí nghiệm
3.6.1. Quan sát ứng xử của mẫu bằng trực quan
- Các vết nứt đầu tiên, xuất hiện tại vị trí gối kê .
- Sự phá hoại của 12 mẫu đều bắt đầu ở gối, chủ yếu phá hoại theo mặt
cắt thẳng góc.
3.6.2. Biểu đồ tải trọng - biến dạng kéo lớn nhất của UHPFRC-V
Biểu đồ tải trọng - biến dạng kéo lớn nhất trên bề mặt lớp UHPFRC-V
của 12 mẫu thử thể hiện trên Hình 3.11.

Hình 3.11. Biểu đồ tải trọng - biến dạng mặt trên của UHPFRC-V

Phân tích các biểu đồ tải trọng - biến dạng có: Biến dạng ở vết nứt đầu
tiên: 197.10-6 ÷ 309.10-6; biến dạng khi vết nứt bắt đầu mở rộng: 3815.10-6 ÷
6021.10-6. Các giá trị này tương đương với kết quả thí nghiệm ở Chương 2.


14
3.6.3. Biểu đồ tải trọng - độ võng
Biểu đồ tải trọng độ võng đo được thể hiện trên hình 3.15. Hình 3.15
cho thấy: Không có bước nhảy trên biểu đồ cho đến khi vết nứt mở rộng
như vậy liên kết giữa bản thép và UHPFRC-V vẫn đảm bảo để mặt cắt làm
việc liên hợp; việc bố trí cốt thép làm tăng khả năng chịu uốn của các mẫu.

Hình 3.15. Biểu đồ tải trọng - độ võng của các tổ mẫu
3.6.4. Quan hệ tải trọng - độ mở rộng vết nứt
Quan hệ này (Hình 3.18) được xác định từ biểu đồ tải trọng - biến dạng
và biểu đồ tải trọng - độ võng thí nghiệm theo các công thức của AFGC
(2013) [23]. So sánh với kết quả của Murakoshi [50] mẫu có lớp phủ bằng
SFRC dày 75mm (Hình 3.18) với UHPFRC-V:
- Bê tông SFRC, sau nứt tải trọng giảm, vết nứt mở rộng khoảng 0,22mm
thì tải trọng bắt đầu tăng trở lại cho đến khi cốt thép đạt giới hạn chảy.
- UHPFRC-V 2% vi cốt sợi (theo thể tích), sau vị trí vết nứt đầu tiên, tải
trọng không giảm mà vẫn tiếp tục tăng cho đến khi vết nứt cục bộ mở rộng
và cốt thép trong UHPFRC-V đạt giới hạn chảy.


15
3.6.5. Quan hệ giữa tải trọng - biến dạng mặt bên của mẫu
Bố trí lá dán đo biến dạng lên 2 bên bề mặt bên của các mẫu để theo dõi
hiện tượng tách lớp nếu có khi chịu tải của mẫu. Quan hệ giữa tải trọng biến dạng của mặt bên (Hình 3.21).

Hình 3.20. Bố trí lá dán đo biến dạng mặt bên của mẫu
Không có biến dạng đột biến trên suốt biểu đồ, thấy hiện tượng tách lớp
giữa không xảy ra. Điều này cũng phù hợp với kết luận của Water [74].

Hình 3.21. Biểu đồ tải trọng - biến dạng mặt bên
3.7. Mô hình ứng xử uốn của UHPFRC-V trên bản thép.
3.7.1. Phân tích ngược bằng phương pháp giải tích
Từ biểu đồ tải trọng - biến dạng thí nghiệm thu được, xác định ứng xử
uốn của UHPFRC-V bằng phương pháp phân tích ngược. Sử dụng chương
trình tính toán lập sẵn trên mathcad để phân tích. Kết quả phân tích ngược
mẫu S50.0 (Hình 3.26). Kết quả này sử dụng để tính toán, kiểm tra với các
mẫu còn lại: S50, S60, S70. Chênh lệch trung bình của tổ mẫu S50.0: 5,78
%; tổ mẫu S50: 12,26 %; tổ mẫu S60: 9,44%; tổ mẫu S70: 10,65%.


4,2

Ứng suất (MPa)

Ứng suất (MPa)

16

3,6

0,085

Biến dạng (0/00)

67,17

E = 42,5 GPa

1,6
3
Biến dạng (0/00)

3,5

a) Ứng xử kéo khi



b) Ứng xử nén

Hình 3.26. Mô hình ứng xử của UHPFRC-V trên bản thép
3.7.2. Kiểm chứng mô hình bằng phương pháp phần tử hữu hạn
Sử dụng phần mềm Midas Fea để phân tích mô hình thí nghiệm với giả
thiết liên kết giữa UHPFRC-V và bản thép là liên kết cứng . Kết quả: Phân
tích PTHH; giải tích; thí nghiệm được thể hiện trên cùng một đồ thị, Hình
3.29. Kết quả cho thấy, tính toán giải tích và PTHH và kết quả thí nghiệm

Mô men âm (kN.m)

Mô men âm (kN.m)

khá hội tụ với sai số trung bình nhỏ hơn 15% và thiên về an toàn.

Biến dạng
Mô men âm (kN.m)

Mô men âm (kN.m)

Biến dạng

Biến dạng

Biến dạng

Hình 3.29. So sánh kết quả tính toán và thí nghiệm mẫu bản liên hợp


17
CHƯƠNG 4: PHÂN TÍCH ỨNG XỬ KẾT CẤU BẢN THÉP TRỰC
HƯỚNG CÓ LỚP PHỦ UHPFRC-V
4.1. Mở đầu
Chương 4 phân tích kết cấu OSD có lớp phủ UHPFRC-V, xác định biến
dạng kéo lớn trong lớp phủ, ứng suất lớn nhất trên bản thép, ứng suất trên
đường hàn liên kết giữa bản thép và sườn dọc. Các tính toán dựa trên chỉ
dẫn của FHWA [36], Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22TCN 272-05 [15] và các tài
liệu liên quan [19], [50], [52], [73], [77].
4.2. Cơ chế ứng xử cơ học, PP tính toán, phân tích kết cấu OSD
4.2.1. Các cơ chế ứng xử của kết cấu OSD
Bảng 4.1. Các cơ chế ứng xử của kết cấu cầu thép trực hướng [36]


18
Kết cấu OSD là một hệ thống kết cấu có các cơ chế ứng xử phức tạp
khi chịu tải. Việc tính toán, phân tích kết cấu phải xét đến: Sự làm việc 2
phương của bản thép; tổ hợp các tác động cục bộ và tổng thể và sự ổn định
của các bộ phận của kết cấu mặt cầu. Theo FHWA (2011) [36], có 7 hệ

thống tương ứng với 7 cơ chế ứng xử cơ học của kết cấu OSD (Bảng 4.1).
4.2.2. Phương pháp phân tích kết cấu mặt cầu thép trực hướng
3 mức thiết kế gồm: Mức 1: Thiết kế thực nghiệm hoặc kế thừa thiết kế
trước đó để chứng minh kết cấu đáp ứng các yêu cầu; Mức 2: Phân tích kết
cấu đơn giản 1D hoặc 2D; Mức 3: Phân tích mô hình kết cấu 3D.
Lựa chọn phương pháp phân tích:
- Phân tích biến dạng trên lớp phủ: Phân tích mức 2 bằng phương pháp
tính toán giải tích; phân tích mức theo phương pháp PTHH.
- Ứng suất gây trên bản thép, đường hàn: phân tích theo mức 3 theo
phương pháp PTHH.
4.3. Các trạng thái giới hạn:
Để có cơ sở lựa chọn chiều dày lớp phủ UHPFRC-V, các trạng thái giới
hạn (TTGH) được xem xét đối với kết cấu OSD có lớp phủ bằng UHPFRCV gồm: TTGH mỏi (22TCN 272-05), các TTGH của UHPFRC-V [23].
4.4. Ứng xử của UHPFRC-V trên OSD bằng phương pháp giải tích
4.4.1. Mô men âm trên mặt cầu trực hướng do tải trọng khai thác
Mô men âm lớn nhất trên mặt cầu (Hình 4.4) do tải trọng (22TCN 272-05)
được tính bằng phương pháp dải hữu hạn theo chỉ dẫn của FHWA, [36].
4.4.2. Mô men gây nứt của mặt cắt
Mô men gây nứt của mặt cắt được xác định theo công thức:
Mcr =

(hu2  2.n.hs .hu  n 2 .hs 2 ) 2
. f ct .el .b
6(hu  n.hs ) 2

(4.1)

Biểu đồ mô men gây nứt và mô men âm do tải trọng khai thác đã được
lập (Hình 4.4) làm căn cứ lựa chọn sơ bộ chiều dày lớp phủ mặt cầu đảm
bảo khả năng chống nứt.

Mô men âm tính toán (kN.m)

19

Khoảng cách giữa các sườn dọc (mm)

Hình 4.4. Mô men gây nứt - mô men âm do tải trọng khai thác
4.4.3. Ứng suất, biến dạng trên mặt cắt liên hợp bản thép-UHPFRC-V.
Luận án sử dụng phương pháp giải tích, lập chương trình tính toán ứng
xử của mặt cắt liên hợp “bản thép - UHPFRC-V” trên mathcad để tính các
ứng suất, biến dạng.
Với chương trình tính toán lập sẵn trên mathcad, phân tích ứng xử cơ
học của mặt cắt liên hợp “bản thép - UHPFRC-V” tính toán ứng suất danh
định trên bản thép ứng với các trường hợp cấu tạo mặt cầu và lớp phủ khác
nhau, Hình 4.6.
Biểu đồ hình 4.6 có thể sử dụng tham khảo để lựa chọn chiều dày lớp
phủ theo trạng thái giới hạn mỏi.
Ứng suất (MPa)

70
60
50
40

Biểu đồ ứng suất ở mép dưới trên bản thép 
12PL+50U
12PL+60U
12PL+70U

14PL+50U
14PL+60U
14PL+70U

30
20
10
0
230 240 250 260 270 280 290 300 310 320 330 340 350 360 370 380 390 400

Khoảng cách  giữa các sườn dọc (mm) 

Hình 4.6. Ứng suất lớn nhất trên bản thép trực hướng


20
4.5. Phân tích ứng xử kết cấu OSD có lớp phủ bằng UHPFRC-V
4.5.1. Mục tiêu phân tích
Phân tích kết cấu OSD với các trường hợp lớp phủ khác nhau để xác định
biến dạng kéo lớn nhất trên lớp phủ, ứng suất lớn nhất trên bản thép, ứng suất
lớn nhất trên đường hàn. Tải trọng phân tích lấy theo 22TCN 272-05.
Việc xác định ứng suất, biến dạng cục bộ trên bản thép, đường hàn, lớp
phủ thì phải phân tích mức 3 (trên mô hình 3D) [36]. Luận án sử dụng
phương pháp PTHH, sử dụng phần mềm Midas Fea để phân tích.
4.5.2. Giới thiệu phần mềm, lựa chọn phần tử.
Sử dụng phần mềm Midas Fea có chức năng phân tích phi tuyến, đáp
ứng được mục tiêu phân tích. Phần mềm này đã được kiểm chứng ở chương
2, chương 3 của luận án cho nó phản ánh được ứng xử của vật liệu
UHPFRC-V, ứng xử uốn của mặt cắt liên hợp “bản thép - UHPFRC-V”.
Với mức phân tích 3D đã chọn, sử dụng loại phần tử solid để mô hình

cho các phần tử của kết cấu OSD với các trường hợp lớp phủ khác nhau.
4.5.3 Mô hình, vật liệu, điều kiện biên
Phân tích trên 2 dạng kết cấu điển hình của OSD là kết cấu sườn kín và
kết cấu sườn hở với quy mô kích thước thật đượctham khảo các thiết kế
thực tế (Hình 4.7a, Hình 4.10).
Sử dụng mô hình ứng suất Vonmises; mô hình “Total Strain Crack” để
mô hình vật liệu thép và UHPFRC-V. Với các vật liệu lớp phủ bằng bê tông
nhựa epoxy, matic asphal sử dụng mô hình đàn hồi tuyến tính.

Hình 4.7. Kích thước, hình dạng mẫu phân tích


21

Hình 4.10. Mô hình kết cấu mặt cầu trực hướng sườn hở
4.5.4.1. Kết quả phân tích cho mẫu kết cấu sườn kín
12

14

16

18

160

20
22 bản thép
24 (mm)
Chiều dày

160

120

120

80

80
12PL+UHPFRC-V
12PL+ EA
12PL+ MA
PL+0 lớp phủ

40

40

0

60
70
Chiều dày lớp phủ (mm)

Hình 4.12. Biến dạng lớn nhất trên lớp
phủ với các loại lớp phủ khác nhau
12

0

10
20
30
40
Chiều dày lớp phủ (mm)          .

60

70

Hình 4.14. Ứng suất lớn nhất trên
đường hàn với các lớp phủ khác nhau

Chiều dày bản thép (mm) + 0 lớp phủ
14

16

18

240
220
200
180
160
140
120
100
80
60

40
20
0

20

22

24
240
220
200
180
160
140
120
100
80
60
40
20
0

12PL+UHPFRC‐V
12PL+ EA
12PL+ MA
PL+0 lớp phủ

10

50

20

30

40

50

60

Ứng suất (MPa)

50

70

Bản thép 12mm + lớp phủ dày: (mm) .

Hình 4.13. Ứng suất lớn nhất trên bản thép với các lớp phủ khác nhau
Phân tích trên mẫu sườn kín (Hình 4.7) với bản thép dày 12mm, khoảng
cách sườn dọc 300mm với các trường hợp khác nhau của lớp phủ thu được
biến dạng kéo lớn nhất trên lớp phủ (Hình 4.12), ứng suất lớn nhất trên bản
thép (Hình 4.13), ứng suất lớn nhất trên đường hàn (Hình 4.14).

Ứng suất (MPa)

12PL+UHPFRC-V
12PL+ EA

12PL+ MA
ứng suất (MPa)

1800
1600
1400
1200
1000
800
600
400
200
0

Ứng suất (MPa)

Biến dạng (x10-6 )

4.5.4. Kết quả phân tích


22
Sử dụng lớp phủ mặt cầu UHPFRC-V giảm đáng kể ứng suất trên bản
thép, đường hàn liên kết giữa bản thép và sườn dọc so với các loại lớp phủ
bằng epoxy asphalt (EA) và so với mastic asphalt (MA), cụ thể:
- Ứng suất trên bản thép:
+ Lớp phủ 50mm, ứng suất giảm được 30,67 % ÷ 61,27 %
+ Lớp phủ 60mm, ứng suất giảm được 42,69 % ÷ 69,22 %.
+ Lớp phủ 70mm, ứng suất giảm 65,01 % ÷ 83,07 %.
- Ứng suất trên đường hàn:

+ Lớp phủ 50mm, ứng suất giảm 5,78 % ÷ 42,29 % .
+ Lớp phủ 60mm, ứng suất giảm 6,24 % ÷ 45,60 % .
+ Lớp phủ 70mm, ứng suất giảm 9,65 % ÷ 49,83 %.
12
180

20
22
24
Chiều dày bản thép (mm)
180

1200

160

160

140

140

120

120

100

100

1000

Ứng suất (MPa)

Biến dạng của lớp phủ (.10 -6)

1400

800
600
14PL+ UHPFRC-V
14PL+ EA
12PL+ MA

400
200

60

70

Chiều dày lớp phủ (mm)

Hình 4.16. Biến dạng lớn nhất trên lớp
phủ với các lớp phủ khác nhau

16

18

80

14PL+ UHPFRC-V
14PL+EA
14PL+ MA
PL+0 lớp phủ

60
40

0

50

80

14

60
40

20

20

0

0
10

20Chiều dày
30 lớp phủ40(mm) . 50

60

70

Hình 4.17. Ứng suất lớn nhất trên
đường hàn với các lớp phủ khác nhau

Kết quả phân tích trên mẫu sườn hở với khoảng cách sườn 380mm,
chiều dày bản thép 14mm cũng cho thấy việc sử dụng UHPFRC-V sẽ làm
giảm biến dạng kéo trên lớp phủ mặt cầu, ứng suất trên bản thép so với các
loại mặt cầu truyền thống. Ứng suất trên bản thép liên kết bản thép và sườn
giảm 50,36 - 77,47 % với các lớp phủ mặt cầu epoxy asphalt và mastic
asphalt.

Ứng suất (MPa)

4.5.4.2. Kết quả phân tích cho mẫu kết cấu sườn hở


23

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
1. Những kết quả đạt được của luận án
1.1. Luận án đã lựa chọn vật liệu, thiết kế thành phần cấp phối cho
UHPFRC-V cấp 110 MPa, độ chảy 500mm, 2% vi cốt sợi thép (theo thể tích)
chế tạo từ các vật liệu sẵn có ở Việt Nam đề nghị ứng dụng trên mặt cầu thép
trực hướng như sau: Xi măng PC40; bột quartz, cát quartz được nghiền từ đá

quartz ở mỏ quartz Thanh Sơn - Phú Thọ; Muội silic; phụ gia siêu dẻo; sợi thép
và nước theo tỷ lệ khối lượng xi măng:
Xi
Cát
Bột
Muội
măng
quartz
Quartz
Silic
PC40
(0-0,63)
1
1,11
0,111
0,25

Phụ gia
siêu dẻo
0,0203

Sợi thép
d=0,2mm,
lf = 13mm
0,178

Nước
0,20

Tính năng cơ học của UHPFRC-V ở 28 ngày: Cường độ nén đặc trưng

118,54 MPa; Mô đun đàn hồi 42,5 GPa; Cường độ chịu kéo khởi điểm vết nứt
đặc trưng 6,47 MPa, biến dạng ở vết nứt đầu tiên 0,152(0/00); Cường độ chịu
kéo lớn nhất sau nứt đặc trưng 6,88 MPa; biến dạng ở trạng thái vết nứt bắt đầu
mở rộng 3,50 (0/00).
1.2. Luận án đã xây dựng mô hình vật liệu UHPFRC-V cấp 110MPa sử
dụng trong phân tích, tính toán kết cấu UHPFRC-V trên bản thép trực hướng
(Hình 3.26)
1.3. Luận án đề nghị mô hình sử dụng UHPFRC-V trên mặt cầu thép trực
hướng:
- Lớp phủ mặt cầu bản thép trực hướng bằng UHPFRC-V, dày 50 ÷ 70mm.
Luận án đã đề xuất cơ sở để lựa chọn chiều dày lớp phủ UHPFRC-V đảm bảo
khả năng chống nứt (Hình 4.4, Hình 4.6).
- Cốt thép bố trí trên lớp UHPFRC -V, đường kính 8mm, bố trí ô lưới
100x100 (mm2), chiều dày lớp bê tông bảo vệ 30mm;
- Lớp dính bám bằng keo epoxy rắc cốt liệu thô 3x4 (mm2) lượng đá 2,8
kg/m2.