Nghiên cứu thực nghiệm sự làm việc dài hạn của dầm bê tông cốt thép chịu chuyển vị cưỡng bức gối tựa

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG

Nguyễn Mạnh Hùng

NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM SỰ LÀM VIỆC DÀI HẠN
CỦA DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP CHỊU CHUYỂN VỊ
CƯỠNG BỨC GỐI TỰA

Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng
Mã số: 9580201

LUẬN ÁN TIẾN SĨ

Hà Nội – Năm 2021


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG

Nguyễn Mạnh Hùng

NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM SỰ LÀM VIỆC DÀI HẠN
CỦA DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP CHỊU CHUYỂN VỊ
CƯỠNG BỨC GỐI TỰA
Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng
Mã số: 9580201

LUẬN ÁN TIẾN SĨ

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

1. PGS TS. Nguyễn Trung Hiếu
2. GS TS. Ngô Thế Phong

Hà Nội – Năm 2021


i

LỜI CAM ĐOAN

Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả trong luận án là trung thực và chưa từng
được ai công bố trong bất kỳ cơng trình nào khác.

Nghiên cứu sinh

Nguyễn Mạnh Hùng


ii

LỜI CẢM ƠN

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo hướng dẫn: PGS TS. Nguyễn
Trung Hiếu, GS TS. Ngơ Thế Phong đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ, tạo điều kiện
và động viên trong suốt q trình học tập, nghiên cứu và hồn thành luận án.
Tác giả chân thành cảm ơn tập thể các Thầy, Cơ Bộ mơn Thí nghiệm và Kiểm định
cơng trình, Phịng thí nghiệm LAS-XD125, Bộ mơn Cơng trình bê tơng cốt thép,
Khoa Xây dựng dân dụng và công nghiệp, Khoa Đào tạo Sau đại học trường Đại
học Xây dựng đã tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ và hướng dẫn trong suốt thời gian

tác giả nghiên cứu tại Bộ môn và Khoa.
Cuối cùng, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới các thành viên gia đình đã tạo
điều kiện và chia sẻ những khó khăn trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và
hồn thành luận án.

Nghiên cứu sinh: Nguyễn Mạnh Hùng


iii

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ......................................................................................................i
LỜI CẢM ƠN .......................................................................................................... ii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT .......................................... vii
DANH MỤC CÁC BẢNG.......................................................................................ix
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ............................................................ x
MỞ ĐẦU.................................................................................................................... 1
1.

Lý do chọn đề tài nghiên cứu ........................................................................ 1

2.

Mục đích nghiên cứu ..................................................................................... 4

3.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ................................................................. 4

4.

Cơ sở khoa học của đề tài nghiên cứu ........................................................... 4

5.

Phương pháp nghiên cứu ............................................................................... 5

6.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu ................................... 5

7.

Những đóng góp mới của luận án ................................................................. 5

8.

Nội dung và cấu trúc của luận án .................................................................. 6

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ỨNG XỬ DÀI HẠN CỦA BÊ TÔNG VÀ
KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP ......................................................................... 7
1.1. Sự làm việc dài hạn của bê tông và kết cấu bê tông cốt thép .......................... 7
1.2. Từ biến của bê tông ......................................................................................... 8
1.2.1.

Cơ chế vi mô của từ biến ..................................................................... 9

1.2.2.

Thành phần của từ biến ..................................................................... 10

1.2.3.

Biểu thức từ biến................................................................................ 12

1.2.4.

Ảnh hưởng của từ biến tới ứng xử dài hạn trên kết cấu cơng trình .. 13

1.2.5.

Các yếu tố ảnh hưởng tới biến dạng từ biến bê tông ........................ 15

1.3. Chùng ứng suất trên kết cấu BTCT ............................................................... 17
1.3.1

Ảnh hưởng của chùng ứng suất tới sự làm việc của kết cấu BTCT .. 18

1.3.2

Cơ chế của chùng ứng suất ............................................................... 19

1.3.3

Các yếu tố ảnh hưởng đến chùng ứng suất ....................................... 19


iv

1.3.4

Thí nghiệm về chùng ứng suất ........................................................... 29

1.4. Mối quan hệ giữa chùng ứng suất và từ biến của bê tơng ............................. 34
1.5. Phân tích ứng xử dài hạn của kết cấu BTCT làm việc chịu uốn dựa trên cơ
sở đặc trưng đàn hồi của bê tông .......................................................................... 35
1.5.1. Phương pháp mô đun đàn hồi hiệu quả EMM (Effective modulus
method) ........................................................................................................... 35
1.5.2.

Phương pháp mô đun đàn hồi hiệu quả điều chỉnh theo tuổi AEMM

(Age-adjusted effective modulus method) (MC 90-93: 2010) .......................... 36
1.5.3.

Hàm chùng ứng suất xấp xỉ ARF (Approximate Relaxation Function)

(MC 90-93) ....................................................................................................... 38
1.6. Thực tế làm việc của kết cấu dầm BTCT liên quan đến chùng ứng suất trên
kết cấu BTCT ....................................................................................................... 39
1.7. Nhận xét chương 1 ........................................................................................ 40
CHƯƠNG 2: TÍNH TỐN DẦM BTCT CHỊU CHUYỂN VỊ CƯỠNG BỨC
GỐI TỰA THEO THỜI GIAN ............................................................................. 42
2.1.

Cơ sở lý thuyết tính toán sự làm việc dài hạn của dầm BTCT chịu chuyển

vị cưỡng bức của gối tựa ...................................................................................... 43
2.1.1.

Mơ hình tính toán dầm BTCT chịu chuyển vị cưỡng bức gối tựa ..... 43

2.1.2.

Độ cứng của dầm khi làm việc dài hạn ............................................. 46

2.1.3.

Chiều dài vùng nứt và độ cứng trung bình của dầm ......................... 49

2.1.4.

Phản lực gối tựa và chùng ứng suất trong kết cấu dầm BTCT ......... 50

2.2.

Xây dựng công thức xác định chùng ứng suất trên kết cấu dầm BTCT do

ảnh hưởng của chuyển vị cưỡng bức gối tựa dựa trên mơ hình AEMM có điều
chỉnh .................................................................................................................. 51
2.2.1.

Xác định phản lực gối tựa dầm theo thời gian .................................. 51

2.2.2.

Xây dựng mối quan hệ giữa hệ số từ biến và hệ số già ..................... 54

2.3.

Ví dụ áp dụng ........................................................................................... 63

2.4.

Nhận xét Chương 2 .................................................................................. 74


v

CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG MƠ HÌNH THÍ NGHIỆM ỨNG XỬ DÀI HẠN
CỦA DẦM BTCT CHỊU CHUYỂN VỊ CƯỠNG BỨC CỦA GỐI TỰA ......... 76
3.1.

Cơ sở xây dựng mơ hình thí nghiệm ........................................................ 76

3.2.

Mơ hình thí nghiệm .................................................................................. 79

3.3.

Bố trí dụng cụ thiết bị đo.......................................................................... 87

3.4.

Quy trình thí nghiệm ................................................................................ 90

3.5.

Vật liệu chế tạo và thí nghiệm xác định các đặc trưng cơ học ................ 95

3.6.

Tải trọng thí nghiệm trên hệ dầm BTCT................................................ 101

3.7.

Tính tốn sự suy giảm phản lực gối tựa dầm theo số liệu thực nghiệm các

đặc trưng cơ học của vật liệu sử dụng chế tạo dầm ........................................... 101
3.8.

Kết quả thí nghiệm ................................................................................. 102

3.8.1.

Chuyển vị của mẫu dầm thí nghiệm do biến dạng co ngót và biến

dạng nhiệt gây ra (nhóm tổ mẫu dầm hàm lượng cốt thép μ2 = 1,675%) ..... 104
3.8.2.

Sự thay đổi phản lực gối tựa dầm theo thời gian ............................ 105

3.8.3.

Chuyển vị gối tựa dầm theo thời gian ............................................. 109

3.8.4.

Ảnh hưởng của sự thay đổi phản lực gối tựa đến biến dạng của bê

tông chịu nén và biến dạng kéo của cốt thép vùng kéo .................................. 110
3.9.

Nhận xét chương 3 ................................................................................. 111

KẾT LUẬN ........................................................................................................... 113
DANH MỤC CƠNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ ................................................... 115
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 116
PHỤ LỤC…………………………………………………………………. …...PL1
Phụ lục 1: Kết quả đo chùng ứng suất trong kết cấu dầm (nhóm tổ mẫu hàm
lượng cốt thép μ1 = 1,163%) ............................................................................. PL1
Phụ lục 2: Kết quả đo chùng ứng suất trong kết cấu dầm (nhóm tổ mẫu hàm
lượng cốt thép μ2 = 1,675%) ............................................................................. PL2
Phụ lục 3: Kết quả đo chùng ứng suất trong kết cấu dầm (nhóm tổ mẫu hàm
lượng cốt thép μ3 = 2,279%) ............................................................................. PL3


vi

Phụ lục 4: Kết quả đo chuyển vị do co ngót và sự biến thiên nhiệt độ (nhóm tổ
mẫu hàm lượng cốt thép μ2 = 1,675%).............................................................. PL4
Phụ lục 5: Kết quả đo chùng ứng suất trong bản thân thanh thép Ø6 ............... PL5
Phụ lục 6: Kết quả đo hệ số từ biến bê tông ...................................................... PL6
Phụ lục 7: Kết quả thí nghiệm cơ lý bê tơng và cốt thép sử dụng cho các mẫu
dầm .................................................................................................................... PL7
Phụ lục 8: Chi tiết thiết lập tính lặp trên Matlab, tính hàm chùng ER(t,t0) ........ PL8
Phụ lục 9: Chi tiết thiết lập tính tốn sự suy giảm phản lực gối tựa dầm bằng
phần mềm Maple ............................................................................................... PL9

vii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
BTCT

bê tông cốt thép

CƯS

chùng ứng suất

TCVN

tiêu chuẩn Việt Nam

ACI

tiêu chuẩn Hoa Kỳ

EC2

tiêu chuẩn Châu Âu Eurocode 2

1
r
b, h
a

a'

độ cong của cấu kiện
chiều rộng, chiều cao tiết diện
khoảng cách từ mép chịu kéo của tiết diện đến trọng tâm cốt
thép chịu kéo
khoảng cách từ mép chịu nén của tiết diện đến trọng tâm cốt
thép chịu nén

As , As'

diện tích tiết diện ngang của cốt thép chịu kéo, nén

Ac

diện tích tiết diện ngang của bê tơng

Ared

diện tích tiết diện quy đổi

B

cấp độ bền của bê tơng

Rb , fc

cường độ nén tính tốn của bê tông

Ec

mô đun đàn hồi bê tông

Eeff

mô đun đàn hồi hiệu quả điều chỉnh

Es

mô đun đàn hồi cốt thép

C (t , t0 ) , J (t , t0 )

độ từ biến (hàm từ biến riêng)

 (t , t0 ) , t

hệ số từ biến bê tông

u

hệ số từ biến cuối cùng

 (t , t0 )

hệ số già của bê tông

R (t , t0 ) ; ER (t , t0 )

hàm chùng ứng suất

t0

thời gian chất tải

t

thời gian tính tốn


viii

RH

độ ẩm môi trường

N/X

tỷ lệ nước trên xi măng

M crc

mô men kháng nứt

s

hệ số quy đổi cốt thép về bê tơng

x

chiều cao bê tơng vùng nén

I red

mơ men qn tính của tiết diện quy đổi

D

độ cứng của cấu kiện

 (t , t0 )

chuyển vị gối tựa

RB (t , t0 )

phản lực gối tựa

 (t )

biến dạng toàn phần

 in (t )

biến dạng ban đầu (đàn hồi)

 cr (t )

biến dạng từ biến bê tơng

 sh (t )

biến dạng co ngót bê tông

 th (t )

biến dạng nhiệt

  ,c ;  RH ,c ;  s,c ;  ,c hệ số xét đến tuổi chất tải, độ ẩm môi trường, độ sụt, hàm
0

  a ,c ;  v / s ,c

lượng đá trong hỗn hợp, lượng khí trong hỗn hợp, kích thước
cấu kiện khi tính độ từ biến trong tiêu chuẩn ACI

C (,28)

giá trị giới hạn độ từ biến theo viện bê tông Nga

 c (t , 0 )

hệ số kể đến sự phát triển từ biến theo thời gian trong EC2

D1-10, D2-10,
D3-10, D4-10

Ký hiệu dầm số 1 đến dầm số 4 của nhóm dầm hàm lượng cốt
thép (2Ø10 – μ1 = 1,163 %)

D1-12, D2-12,

D3-12, D4-12

Ký hiệu dầm số 1 đến dầm số 4 của nhóm dầm hàm lượng cốt
thép (2Ø12 – μ2 = 1,675 %)

D1-14, D2-14,
D3-14, D4-14

Ký hiệu dầm số 1 đến dầm số 4 của nhóm dầm hàm lượng cốt
thép (2Ø14 – μ3 = 2,279 %)


ix

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1: 1/2 thời gian chùng (r) và phần trăm cuối (Q) ....................................... 21
Bảng 2.1: Kết quả tính tốn mơ đun đàn hồi và hệ số từ biến bê tông theo tiêu
chuẩn Eurocode 2 (EC2), [49] ................................................................................. 60
Bảng 2.2: Kết quả tính tốn hệ số từ biến, hệ số già theo thời gian ....................... 61
Bảng 2.3: Kết quả tính tốn độ cứng dầm theo thời gian (cốt thép đơn) ................ 65
Bảng 2.4: Kết quả tính tốn tỷ lệ suy giảm phản lực gối tựa theo thời gian ........... 66
Bảng 2.5: Kết quả tính tốn ứng suất trong cốt thép chịu kéo ................................ 67
Bảng 2.6: Kết quả tính toán độ cứng dầm theo thời gian........................................ 70
Bảng 2.7: Kết quả tính tốn tỷ lệ suy giảm phản lực gối tựa theo thời gian ........... 70
Bảng 2.8: Kết quả tính toán tỷ lệ suy giảm phản lực gối tựa theo thời gian (khi
cường độ tính tốn của bê tơng thay đổi)................................................................. 71
Bảng 2.9: Thay đổi thông số ban đầu của phản lực gối tựa dầm............................ 72
Bảng 2.10: Kết quả tính toán tỷ lệ suy giảm phản lực gối tựa tương ứng với 3 giá
trị phản lực gối tựa ban đầu thay đổi. ...................................................................... 73
Bảng 2.11: Kết quả tính tốn tỷ lệ suy giảm phản lực gối tựa tương ứng với 3 hàm

lượng cốt thép vùng kéo thay đổi. ............................................................................ 74
Bảng 3.1: Cấp phối vật liệu chế tạo ........................................................................ 95


x

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1: Các thành phần biến dạng của bê tơng ........................................................ 1
Hình 2: Kết cấu dầm BTCT làm việc dài hạn do chịu chuyển vị cưỡng bức của gối
tựa liên kết .................................................................................................................. 3
Hình 1.1: Các thành phần độ võng của dầm BTCT………………………………..7
Hình 1.2: Đặc điểm của từ biến [23] ........................................................................ 9
Hình 1.3: Sơ đồ cấu trúc lực dính xi măng [61]...................................................... 10
Hình 1.4: Biến dạng phụ thuộc thời gian trong bê tông [28] ................................. 11
Hình 1.5: Các thành phần từ biến có thể phục hồi và khơng thể phục hồi [66] ..... 11
Hình 1.6: Biến động của ứng suất theo thời gian do từ biến trên cấu kiện cột chịu
tải trọng nén dọc trục [66] ....................................................................................... 14
Hình 1.7: Biến động của mơ men uốn theo thời gian do từ biến trên dầm chịu
chuyển vị cưỡng bức gối tựa [66] ............................................................................ 14
Hình 1.8: Chùng ứng suất theo thời gian khi biến dạng không đổi [23] ................ 17
Hình 1.9: Tác dụng của chùng ứng suất khi kéo làm kéo dài sự phát triển của vết
nứt trong trường hợp co ngót hạn chế [85] ............................................................. 18
Hình 1.10: Ảnh hưởng của tuổi chất tải lên sự chùng ứng suất trong bê tông chịu
biến dạng ban đầu bằng nhau [28] .......................................................................... 20
Hình 1.11: Chùng ứng suất ở độ tuổi 2, 7 và 28 ngày [44] .................................... 21
Hình 1.12: Chùng ứng suất và ứng suất dư trong bê tông [28] .............................. 22
Hình 1.13: Kết quả chùng ứng suất sau 72 giờ của vữa sửa chữa, với các mẫu N/X
bằng 0,60 và 0,45 [82] ............................................................................................. 23
Hình 1.14: Ảnh hưởng của SF đến chùng ứng suất trên hỗn hợp N/X= 0,4 [28] ... 24
Hình 1.15: Ảnh hưởng của ứng suất ban đầu đến quá trình chùng ứng suất [104]

.................................................................................................................................. 25
Hình 1.16: Giảm ứng suất do chùng ứng suất [74] ................................................ 26
Hình 1.17: Ảnh hưởng của nhiệt độ đến chùng ứng suất [28] ................................ 27
Hình 1.18: Ảnh hưởng của trạng thái ứng suất đến chùng ứng suất [84] .............. 29


xi

Hình 1.19: Thí nghiệm chùng ứng suất trên mẫu bê tơng chịu biến dạng kéo [82]30
Hình 1.20: Kết quả thí nghiệm chùng ứng suất sau 3 ngày với tỷ lệ ứng suất thử
80% [89] ................................................................................................................... 30
Hình 1.21: Thí nghiệm chùng ứng suất trên mẫu bê tông chịu biến dạng nén [70]
.................................................................................................................................. 31
Hình 1.22: Kết quả thí nghiệm chùng ứng suất trong 168 giờ, với tỷ lệ ứng suất thử
60% [70] ................................................................................................................... 31
Hình 1.23: Thí nghiệm ứng xử dài hạn của dầm BTCT dưới tác dụng đồng thời của
tải trọng nhiệt và chuyển vị cưỡng bức gối tựa [76] ............................................... 32
Hình 1.24: Sự suy giảm phản lực gối tựa theo thời gian của 04 mẫu dầm BTCT thí
nghiệm [76] .............................................................................................................. 32
Hình 1.25: Mơ hình thí nghiệm ứng xử dài hạn của dầm BTCT hai nhịp chịu
chuyển vị cưỡng bức của gối tựa và tải trọng sử dụng [78] .................................... 33
Hình 1.26: Sự suy giảm phản lực gối tựa theo thời gian [78] ................................ 33
Hình 1.27: Chùng ứng suất trong dầm móng BTCT ............................................... 40
Hình 1.28: Chùng ứng suất trong dầm liên kết cột – vách nhà cao tầng ................ 40
Hình 2.1: Chuyển vị cưỡng bức của gối tựa dầm móng BTCT do sự chênh lún giữa
các đài móng……………………………………………………………………………….43
Hình 2.2: Chuyển vị cưỡng bức tại gối tựa dầm BTCT (dầm liên kết cột – vách nhà
cao tầng) khi có độ chênh co giữa các cấu kiện cột, vách BTCT ............................ 44
Hình 2.3: Sơ đồ tương đương tính tốn dầm ........................................................... 44
Hình 2.4: Sơ đồ tính tốn dầm chịu chuyển vị cưỡng bức gối tựa .......................... 45

Hình 2.5: Sơ đồ trạng thái ứng suất - biến dạng của dầm khi chưa nứt [1]........... 46
Hình 2.6: Sơ đồ trạng thái ứng suất - biến dạng của dầm khi nứt [1].................... 48
Hình 2.7: Sơ đồ phân vùng nứt và khơng nứt trên dầm .......................................... 49
Hình 2.8: Suy giảm phản lực gối tựa và mô men uốn của dầm theo thời gian ..... 50
Hình 2.9: Sơ đồ tính tốn độ cong của dầm theo thời gian..................................... 52
Hình 2.10: Tính tốn ER(t,t0) bằng phần mềm Matlab ........................................... 57


xii

Hình 2.11: Biểu đồ quan hệ hệ số từ biến bê tơng - thời gian................................. 61
Hình 2.12: Biểu đồ quan hệ hệ số già bê tơng - thời gian....................................... 62
Hình 2.13: Biểu đồ sự thay đổi của hệ số từ biến, hệ số già của bê tông theo thời
gian (trường hợp fc = 30 MPa) ................................................................................ 62
Hình 2.14: Biểu đồ quan hệ hệ số từ biến, hệ số già bê tơng - thời gian ................ 63
Hình 2.15: Mặt cắt tiết diện tính tốn dầm đặt cốt thép đơn .................................. 64
Hình 2.16: Biểu đồ quan hệ tỷ lệ RB(t)/RB(t0) - thời gian ........................................ 66
Hình 2.17: Biểu đồ quan hệ tỷ lệ σs(t)/σs(t0) - thời gian .......................................... 67
Hình 2.18: Biểu đồ quan hệ tỷ lệ RB(t)/RB(t0) và σs(t)/σs(t0) - thời gian .................. 67
Hình 2.19: Mặt cắt tiết diện tính tốn dầm đặt cốt thép kép ................................... 68
Hình 2.20: Biểu đồ quan hệ tỷ lệ RB(t)/RB(t0) - thời gian ........................................ 70
Hình 2.21: Biểu đồ quan hệ tỷ lệ RB(t)/RB(t0) - thời gian ........................................ 72
Hình 2.22: Biểu đồ quan hệ tỷ lệ RB(t)/RB(t0) - thời gian ........................................ 73
Hình 2.23: Biểu đồ quan hệ tỷ lệ RB(t)/RB(t0) - thời gian ........................................ 74
Hình 3.1: Sơ đồ tính dầm BTCT hai đầu ngàm chịu chuyển vị gối tựa…………….77
Hình 3.2: Sơ đồ tính tương đương ........................................................................... 77
Hình 3.3: Cơ sở thiết lập mơ hình đo chùng ứng suất trong dầm BTCT ................ 78
Hình 3.4: Mơ hình sau khi tạo chuyển vị cưỡng bức............................................... 78
Hình 3.5: Mơ hình thí nghiệm chùng ứng suất trong dầm BTCT ............................ 80
Hình 3.6: Cấu tạo hệ khung trượt tạo chuyển vị cưỡng bức ................................... 81

Hình 3.7: Sơ đồ hệ nêm thép khóa cứng chuyển vị cưỡng bức ............................... 82
Hình 3.8: Cấu tạo hệ khung treo dầm ..................................................................... 84
Hình 3.9: Chi tiết dầm sau khi treo ......................................................................... 85
Hình 3.10: Sơ đồ cấu tạo hệ thanh chặn chống xoay ngang giữa hệ dầm treo ...... 86
Hình 3.11: Sơ đồ thí nghiệm đo biến dạng do co ngót, biến thiên nhiệt độ ............ 87
Hình 3.12: Sơ đồ bố trí thiết bị đo trên dầm ........................................................... 89
Hình 3.13: Sơ đồ bố trí thiết bị đo mẫu dầm khử biến dạng co ngót ...................... 90
Hình 3.14: Hình ảnh gia công hệ khung treo dầm .................................................. 90


xiii

Hình 3.15: Hình ảnh gia cơng hệ khung gia tải hệ dầm đo chùng ứng suất ........... 91
Hình 3.16: Hình ảnh đúc các mẫu dầm và mẫu thử cơ lý ....................................... 91
Hình 3.17: Lắp dựng hệ dầm đo biến dạng co ngót, biến thiên nhiệt độ ................ 92
Hình 3.18: Lắp dựng hệ dầm thí nghiệm ................................................................. 93
Hình 3.19: Lắp dựng các dụng cụ thiết bị đo trên hệ dầm ...................................... 93
Hình 3.20: Q trình gia tải thí nghiệm, thu thập số liệu định kỳ .......................... 94
Hình 3.21: Kết quả thí nghiệm mơ đun đàn hổi bê tơng ......................................... 96
Hình 3.22: Mơ hình thí nghiệm đo hệ số từ biến bê tơng ........................................ 98
Hình 3.23: Thơng số lị xo giữ tải và biểu đồ thực nghiệm quan hệ giữa lực nén và
độ co của lị xo .......................................................................................................... 98
Hình 3.24: Kết quả đo hệ số từ biến bê tơng ........................................................... 99
Hình 3.25: Sơ đồ hệ khung và thiết bị đo chùng ứng suất của thanh thép .............. 99
Hình 3.26: Cấu tạo thanh thép liên kết Ø6............................................................ 100
Hình 3.27: Biểu đồ quan hệ ứng suất trong thanh thép liên kết Ø6 - thời gian .... 100
Hình 3.28: Biểu đồ quan hệ tỷ lệ suy giảm phản lực gối tựa RB(t)/RB(t0) – thời gian
(tính tốn theo lý thuyết)......................................................................................... 102
Hình 3.29: Biểu đồ quan hệ nhiệt độ môi trường và độ ẩm - thời gian ................ 103
Hình 3.30: Biểu đồ quan hệ biến dạng trong thanh thép Ø6 - Thời gian ............. 103

Hình 3.31: Biểu đồ quan hệ chuyển vị đầu dầm do co ngót – Thời gian .............. 104
Hình 3.32: Biểu đồ quan hệ phản lực gối tựa - Thời gian .................................... 106
Hình 3.33: Các giai đoạn chùng ứng suất của dầm .............................................. 106
Hình 3.34: Biểu đồ quan hệ tỷ lệ suy giảm phản lực gối tựa - thời gian (theo lý
thuyết và thực nghiệm - µ1 = 1,163%) ................................................................... 107
Hình 3.35: Biểu đồ quan hệ tỷ lệ suy giảm phản lực gối tựa - thời gian (theo lý
thuyết và thực nghiệm - µ2 = 1,675%) ................................................................... 108
Hình 3.36: Biểu đồ quan hệ tỷ lệ suy giảm phản lực gối tựa - thời gian (theo lý
thuyết và thực nghiệm - µ3 = 2,279%) ................................................................... 108


xiv

Hình 3.37: Biểu đồ quan hệ chuyển vị gối tựa và thời gian của các mẫu thí nghiệm
(trung bình 4 mẫu dầm/ nhóm dầm) ....................................................................... 109
Hình 3.38: Biểu đồ quan hệ biến dạng kéo trong cốt thép - thời gian .................. 110
Hình 3.39: Biểu đồ quan hệ biến dạng nén trong bê tông vùng nén - thời gian ... 111


1

MỞ ĐẦU
1.

Lý do chọn đề tài nghiên cứu
Sự làm việc dài hạn của kết cấu cơng trình BTCT có liên quan trực tiếp

đến các tác động dài hạn và các đặc trưng cơ học của vật liệu bê tông sử dụng để
chế tạo kết cấu. Hệ quả của sự làm việc dài hạn của kết cấu BTCT là chủ đề
nghiên cứu nhận được nhiều sự quan tâm.

Do đặc thù là loại vật liệu đàn dẻo (visco plastic) nên biến dạng của bê
tông diễn ra phức tạp, khi chịu tác dụng hoặc khơng có tác dụng của tải trọng và
diễn ra trong một thời gian dài. Về mặt cơ bản, biến dạng của bê tông  c (t ) gồm
hai thành phần là biến dạng tức thời và biến dạng dài hạn và có thể biểu diễn
bằng phương trình sau, Gilbert và Ranzi, 2010 [66]:

 C (t )   in (t )   cr (t )   sh (t )   th (t )

(1)

Trong công thức trên:
-  in (t ) là biến dạng tức thời của bê tông khi chịu tác dụng của tải trọng;
-  cr (t ) là biến dạng từ biến của bê tơng;
-  sh (t ) là biến dạng co ngót của bê tông;
-  th (t ) là biến dạng nhiệt.
Hình 1 trình bày minh họa các thành phần biến dạng của bê tơng.

Tỉng biÕn d¹ng

cr (t) -BiÕn d¹ng tõ biÕn
e (t) -BiÕn d¹ng tøc thêi
sh (t) -BiÕn d¹ng co ngãt


d

0

Thêi gian (t)

Hình 1: Các thành phần biến dạng của bê tông


2

Trong các thành phần biến dạng dài hạn của bê tơng nêu trên, biến dạng từ
biến của bê tơng có ảnh hưởng chính đến ứng xử dài hạn của kết cấu. Đây là
thành phần biến dạng xuất hiện khi kết cấu chịu tác dụng lâu dài của tải trọng, ví
dụ dưới tác dụng của trọng lượng bản thân của kết cấu, chuyển vị của gối tựa
liên kết… Biến dạng từ biến của bê tông chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố khác
nhau trong đó độ lớn của ứng suất tỷ đối (xác định bằng tỷ số giữa ứng suất xuất
hiện trong kết cấu và cường độ chịu nén của bê tông), tuổi của bê tông khi đặt
tải, thời gian tác dụng của tải trọng là những yếu tố cơ bản.
Sự làm việc dài hạn của kết cấu cơng trình BTCT còn liên quan trực tiếp
đến sự “chùng ứng suất” (Stress Relaxation). Chùng ứng suất là hiện tượng suy
giảm ứng suất trong kết cấu BTCT khi biến dạng của kết cấu được duy trì theo
thời gian mà trường hợp đặc biệt là biến dạng khơng đổi. Như vậy, có thể thấy,
từ biến và chùng ứng suất là hai mặt của một tính chất xảy ra đồng thời khi kết
cấu BTCT làm việc dài hạn.
Trong thực tế làm việc của kết cấu BTCT chịu uốn trên cơng trình, trường
hợp điển hình của sự chùng ứng suất là khi kết cấu chịu tác dụng của chuyển vị
cưỡng bức của gối tựa liên kết và chuyển vị này được duy trì trong một thời gian
dài. Có thể kể đến những ví dụ như dầm móng liên kết các đài cọc chịu chuyển
vị cưỡng bức do sự chênh lệch lún giữa các đài cọc, dầm BTCT liên kết với cột,
vách chịu chuyển vị cưỡng bức do hiện tượng chênh lệch co ngắn của cột,
vách… như minh họa trên Hình 2. Đây là những vấn đề thực tế xây dựng gặp
phải và bài toán dài hạn được xem xét chủ yếu thông qua đặc trưng từ biến của
bê tông mà chưa xét đến ảnh hưởng của chùng ứng suất, đặc trưng không thể
tách rời với từ biến. Trong trường hợp này, chùng ứng suất có thể đóng vai trị
làm giảm ứng suất trong kết cấu BTCT (ứng suất kéo trong cốt thép, bê tơng…)

qua đó hạn chế sự mở rộng của vết nứt trên bê tông, Gilbert và Ranzi, 2010 [66].


3

Móng BTCT

Móng BTCT



Dầm móng
BTCT

CƯS

a- Dm múng chu chuyn v cng bức do chênh lệch lún của các đài móng
V¸ch BTCT

Cét BTCT



Dầm BTCT

CƯS

b- Dm BTCT liờn kt vi ct v vỏch BTCT chịu chuyển vị cưỡng bức của gối tựa (do chênh
lệch co ngắn của cột và vách BTCT)

Hình 2: Kết cấu dầm BTCT làm việc dài hạn do chịu chuyển vị cưỡng bức của
gối tựa liên kết

Qua sơ đồ trên Hình 2, có thể nhận thấy khi nghiên cứu sự làm việc dài
hạn của kết cấu dầm BTCT chịu chuyển vị cưỡng bức của gối tựa thì việc nghiên
cứu đồng thời ảnh hưởng của từ biến và chùng ứng suất là cần thiết. Chuyển vị
gối tựa hay biến dạng cưỡng bức ban đầu, được duy trì trong thời gian dài chính
là cơ chế gây ra chùng ứng suất trên kết cấu BTCT. Trong trường hợp này, việc
xác định mức độ của chùng ứng suất trong cốt thép và bê tông có thể góp phần
trong việc kiểm sốt sự hình thành và phát triển của vết nứt trên bê tông.
Đề tài nghiên cứu của luận án “Nghiên cứu thực nghiệm sự làm việc dài
hạn của dầm BTCT chịu chuyển vị cưỡng bức gối tựa” tập trung vào hai đặc
trưng cơ học là từ biến và chùng ứng suất trên kết cấu BTCT nhằm làm rõ ảnh
hưởng của hai đặc trưng này tới ứng xử dài hạn của kết cấu dầm BTCT. Việc lựa


4

chọn chuyển vị cưỡng bức của gối tựa làm cơ chế gây ra biến dạng từ biến và
chùng ứng suất bên cạnh việc dựa trên cơ sở khoa học của hiện tượng chùng ứng
suất như đã trình bày ở trên cịn nhằm góp phần làm sáng tỏ một bài tốn thực tế
được đặt ra trong thiết kế kết cấu công trình BTCT hiện nay.
2.

Mục đích nghiên cứu
- Nghiên cứu xây dựng một mơ hình thực nghiệm phù hợp và đảm bảo độ

tin cậy nhằm nghiên cứu sự làm việc dài hạn của cấu kiện dầm BTCT chịu
chuyển vị cưỡng bức gối tựa.
- Nghiên cứu xác định mối quan hệ giữa hệ số từ biến và hệ số già của bê

tông, sử dụng trong việc tính tốn sự làm việc dài hạn của kết cấu dầm BTCT.
- Nghiên cứu xây dựng công thức dự báo chùng ứng suất theo thời gian
cho kết cấu dầm BTCT chịu chuyển vị cưỡng bức của gối tựa.
3.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
 Đối tượng nghiên cứu: Kết cấu dầm BTCT chế tạo bằng bê tông nặng

thông thường, chịu chuyển vị cưỡng bức của gối tựa.
 Phạm vi nghiên cứu: Dầm BTCT được thiết kế theo tiêu chuẩn Việt
Nam TCVN 5574: 2018 [1]. Sự làm việc dài hạn của dầm chỉ do chuyển vị
cưỡng bức của gối tựa liên kết gây ra. Ảnh hưởng của trọng lượng bản thân, của
biến dạng co ngót và biến dạng nhiệt của bê tông được loại bỏ. Nghiên cứu thực
nghiệm được tiến hành trong điều kiện tự nhiên của khu vực Hà Nội.
4.

Cơ sở khoa học của đề tài nghiên cứu
Đề tài luận án được thực hiện dựa trên các sơ sở khoa học sau:
- Lý thuyết về từ biến và chùng ứng suất của vật liệu bê tông;
- Cơ sở về ứng xử dài hạn của kết cấu BTCT làm việc chịu uốn.

Bên cạnh đó, đề tài luận án có nghiên cứu và kế thừa các nghiên cứu có liên
quan trong lĩnh vực được thực hiện bởi một số tác giả ở ngoài nước. Đồng thời,
áp dụng các chỉ dẫn tính tốn kết cấu BTCT chịu uốn trong một số tiêu chuẩn
hiện hành như TCVN 5574: 2018 [1], ACI 318: 2014 [20], EC2: 2004 [49]…


5

5.

Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu thực nghiệm là phương pháp nghiên cứu chính, kết hợp với

nghiên cứu lý thuyết.
Trong nghiên cứu thực nghiệm, tiến hành khảo sát sự làm việc dài hạn của
các cấu kiện dầm BTCT kích thước tiết diện 100×150×800 mm, một đầu liên kết
ngàm, một đầu liên kết khớp, chịu chuyển vị cưỡng bức gối tựa khớp.
Trong nghiên cứu lý thuyết, áp dụng các phương pháp tính tốn trong cơ
học kết cấu và phương pháp tính tốn cấu kiện BTCT chịu uốn dựa trên các chỉ
dẫn trong TCVN 5574: 2018 [1].
6.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu
 Ý nghĩa khoa học: Tính đến thời điểm hiện tại, các nghiên cứu về

chùng ứng suất và từ biến trong bê tông ở Việt Nam cịn rất hạn chế. Thơng qua
kết quả nghiên cứu, đề tài góp phần làm sáng tỏ ứng xử dài hạn của kết cấu
BTCT thông qua các đặc trưng chùng ứng suất, từ biến bê tông.
 Ý nghĩa thực tiễn: Chùng ứng suất trong kết cấu dầm bê tông cốt thép
cùng với biến dạng từ biến của bê tông trong cùng điều kiện mơi trường tự nhiên
phịng thí nghiệm tại Hà Nội sẽ được thực hiện trong luận án này. Các kết quả
thực nghiệm thu được sẽ góp phần cung cấp các bộ số liệu về chùng ứng suất và
từ biến của bê tông, làm cơ sở cho các công tác tính tốn thiết kế kết cấu bê tơng
cốt thép chịu uốn có kể đến ảnh hưởng đồng thời của chùng ứng suất và từ biến,
hướng đến việc tính tốn kết cấu theo mục tiêu đảm bảo độ bền lâu.
7.

Những đóng góp mới của luận án
Các kết quả nghiên cứu của Luận án đã được công bố trên một số tạp chí

khoa học bao gồm: 4 bài báo trên các tạp chí chuyên ngành, 1 bài báo hội nghị
khoa học và đã đạt được các kết quả chính như sau:
- Đã xây dựng một mơ hình thực nghiệm phù hợp và đảm bảo độ tin cậy
nhằm nghiên cứu sự làm việc dài hạn của cấu kiện dầm BTCT chịu chuyển vị
cưỡng bức gối tựa. Mơ hình thí nghiệm được xây dựng cho phép khảo sát được


6

chùng ứng suất trên kết cấu dầm BTCT theo thời gian do chuyển vị cưỡng bức
của gối tựa gây ra.
- Đã xác định mối quan hệ giữa hệ số từ biến và hệ số già của bê tông, sử
dụng trong việc tính tốn sự làm việc dài hạn của kết cấu dầm BTCT.
- Đã xây dựng công thức dự báo chùng ứng suất theo thời gian cho kết cấu
dầm BTCT chịu chuyển vị cưỡng bức của gối tựa, thông qua sự suy giảm của
phản lực gối tựa của dầm.
8.

Nội dung và cấu trúc của luận án
Nội dung của luận án bao gồm phần mở đầu, 3 chương và phần kết luận

với cấu trúc như sau:
Mở đầu
Chương 1: Tổng quan về ứng xử dài hạn của bê tông và kết cấu bê tơng cốt
thép
Trình bày tổng quan tình hình nghiên cứu về từ biến và chùng ứng suất của bê
tông và BTCT ở trong nước và trên thế giới.
Chương 2: Tính toán dầm BTCT chịu chuyển vị cưỡng bức gối tựa theo
thời gian

Trình bày nội dung nghiên cứu lý thuyết về tính tốn kết cấu dầm bê tơng cốt
thép chịu chuyển vị cưỡng bức gối tựa (chùng ứng suất).
Chương 3: Xây dựng mơ hình thí nghiệm ứng xử dài hạn của kết cấu dầm
BTCT chịu chuyển vị cưỡng bức gối tựa
Xây dựng mơ hình thí nghiệm khảo sát chùng ứng suất trong dầm BTCT. Phân
tích các số liệu thực nghiệm, so sánh với kết quả tính tốn lý thuyết.
Kết luận
Trình bày những kết luận về kết quả thu được, những đóng góp mới của luận án,
hướng phát triển nghiên cứu và kiến nghị.
Danh mục cơng trình của tác giả
Tài liệu tham khảo và phụ lục


7

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ ỨNG XỬ DÀI HẠN CỦA BÊ TÔNG VÀ KẾT CẤU
BÊ TÔNG CỐT THÉP
1.1.

Sự làm việc dài hạn của bê tông và kết cấu bê tông cốt thép
Kết cấu bê tông cốt thép khi chịu tác dụng của tải trọng dài hạn, trong bê

tông sẽ xảy ra hiện tượng từ biến và chùng ứng suất. Theo một số tài liệu TCVN
5574: 2018 [1], Atrushi, 2003 [28], Gilbert và Ranzi, 2010 [66], Mucambe, 2010
[86]… từ biến và chùng ứng suất làm phân phối lại ứng suất giữa bê tông và cốt
thép, dưới tác dụng của tải trọng dài hạn thì bê tơng từ biến, cịn cốt thép từ biến
khơng đáng kể, nhờ lực dính giữa cốt thép và bê tông mà ứng suất của bê tông
được truyền sang cốt thép. Sự phân phối này cũng xảy ra đối với ứng suất do
hiện tượng co ngót của bê tơng gây ra. Đây là một sự phân phối có lợi, ứng suất

trong bê tơng giảm đi, nhờ đó hạn chế được biến dạng và nứt trong bê tông.
Ứng xử dài hạn của kết cấu BTCT trên kết cấu cơng trình thường được thể
hiện thông qua các giá trị biến dạng dài hạn. Ví dụ, đối với các kết cấu dầm, sàn
BTCT làm việc chịu uốn thể hiện qua độ võng dài hạn, đối với kết cấu cột, vách
BTCT thể hiện qua độ co ngắn dài hạn. Phân tích sự làm việc dài hạn của cấu
kiện dầm bê tông cốt thép khi bắt đầu chịu tác dụng của tải trọng (ví dụ tại thời
điểm dỡ cốp pha, cột chống ) sẽ bị võng. Độ võng của dầm diễn ra trong một
thời gian dài và được chia thành hai thành phần là độ võng ngắn hạn (độ võng
tức thời) và độ võng dài hạn như minh họa trên Hình 1.1.
q

Hình 1.1: Các thành phần độ võng của dầm BTCT


8

* Độ võng ngắn hạn của dầm: hay còn gọi là độ võng tức thời xảy ra
ngay khi dầm chịu tác dụng của tải trọng hay khi có sự gia tăng tải trọng tác
dụng lên dầm.
* Độ võng dài hạn của dầm: khi tải trọng tác dụng lên dầm được duy trì
trong một thời gian dài thì độ võng của dầm cũng tăng lên theo thời gian (với tốc
độ chậm dần). Độ võng dài hạn là một hàm của thời gian và xảy ra trong một
thời gian dài kể từ khi kết cấu bắt đầu chịu tác dụng của tải trọng dài hạn. Theo
nhiều tài liệu [1], [28], [66]… độ võng dài hạn có thể lớn gấp 2 đến 3 lần độ
võng tức thời. Thành phần độ võng này liên quan trực tiếp đến một số đặc tính
biến dạng dài hạn của bê tông như biến dạng từ biến, biến dạng co ngót và chùng
ứng suất.
1.2.

Từ biến của bê tơng

Từ biến của bê tông là biến dạng thay đổi theo thời gian khi có tác dụng

của tải trọng dài hạn. Khi bê tông chịu tải trọng dài hạn, biến dạng từ biến sẽ
tăng dần theo thời gian, tốc độ gia tăng của từ biến sẽ giảm dần khi thời gian tác
dụng của tải trọng tăng lên. Khoảng thời gian ngay sau khi chịu tải trọng thì từ
biến tăng nhanh chóng. Giá trị từ biến đạt khoảng 50% giá trị cuối cùng khi thời
gian tác dụng tải trọng từ 2 đến 3 tháng, đạt khoảng 90% sau 2 đến 3 năm chịu
tải, càng về sau tốc độc tăng từ biến càng chậm lại, theo Alexander và
Beushausen, 2009 [23], Gilbert và Ranzi, 2010 [66], Hình 1.2.


9

ứ ng suất

= không đổi

0

0

t0

t

Thời gian

Biến dạng

t

t -  t0 = BiÕn d¹ng tõ biÕn  c
 t0 = Biến dạng đàn hồi
0

t0

t

Thời gian

Hỡnh 1.2: c im ca từ biến [23]

Trong cùng một điều kiện nhiệt độ của mơi trường, biến dạng từ biến cơ
bản được tính bằng cách lấy tổng biến dạng theo thời gian của mẫu chịu tải trọng
trừ đi biến dạng co ngót của mẫu không chịu tải trọng.
1.2.1. Cơ chế vi mô của từ biến
Từ biến của bê tông được cho là do một số cơ chế phức tạp khác nhau.
Gilbert và Ranzi, 2010 [66], giải thích rằng bột xi măng cứng bao gồm một loại
gel xi măng rắn chứa nhiều lỗ chân lông mao quản. Nhiều nhà nghiên cứu chấp
nhận rằng từ biến bê tông phần lớn là do từ biến của xi măng ngậm nước. Điều
này là do giả định rằng các cốt liệu bình thường cho thấy ít hoặc khơng có biến
dạng từ biến.
Mucambe, 2010 [86] đã nhóm các cơ chế của từ biến: khuếch tán độ ẩm,
nứt vi mô, biến dạng đàn hồi bị trì hỗn và điều chỉnh cấu trúc.