Nghiên cứu hiệu quả các biện pháp gia cường sức kháng uốn sử dụng bản thép và mở rộng tiết diện bằng thực nghiệm và mô hình số

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

TRẦN TRUNG NHÂN

NGHIÊN CỨU HIỆU QUẢ CÁC BIỆN PHÁP GIA CƯỜNG
SỨC KHÁNG UỐN SỬ DỤNG BẢN THÉP VÀ MỞ RỘNG
TIẾT DIỆN BẰNG THỰC NGHIỆM VÀ MƠ HÌNH SỐ

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

Đà Nẵng – Năm 2017


ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

TRẦN TRUNG NHÂN

NGHIÊN CỨU HIỆU QUẢ CÁC BIỆN PHÁP GIA CƯỜNG
SỨC KHÁNG UỐN SỬ DỤNG BẢN THÉP VÀ MỞ RỘNG
TIẾT DIỆN BẰNG THỰC NGHIỆM VÀ MƠ HÌNH SỐ
Chun ngành: Kỹ thuật Xây dựng Cơng trình giao thơng
Mã số: 60.58.02.05

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

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. CAO VĂN LÂM

Đà Nẵng – Năm 2017




iii

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................ i
CAM ĐOAN .................................................................................................................. ii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ............................................................................ vi
MỤC LỤC .................................................................................................................... iii
DANH MỤC CÁC BẢNG.......................................................................................... vii
DANH MỤC CÁC HÌNH ......................................................................................... viii
MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1
1. Tính cấp thiết của đề tài ......................................................................................1
2. Đối tượng nghiên cứu của đề tài .........................................................................3
3. Phạm vi nghiên cứu ............................................................................................3
4. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài ...........................................................................3
5. Phương pháp nghiên cứu ....................................................................................3
6. Kết cấu của đề tài: ...............................................................................................4
Chương 1 - TỔNG QUAN VỀ CÁC BIỆN PHÁP GIA CƯỜNG ............................6
1.1.Tổng quan về cầu BTCT thường ......................................................................6
1.2.Các biện pháp gia cường của cầu cũ: ...............................................................7
1.2.1. Gia cường bằng tăng cường tiết diện .......................................................7
1.2.2. Gia cường bằng dán bản thép .................................................................10
1.3.Xu hướng áp dụng của các biện pháp gia cường ............................................12
1.4.Những vấn đề cịn gặp phải của cơng tác sửa chữa, gia cường cầu: ..............12
Chương 2 - CƠ SỞ LÝ THUYẾT ..............................................................................14

2.1. Phương pháp tính tốn truyền thống: ............................................................14
2.1.1. Các giả thiết ............................................................................................14
2.1.2 Tính tốn dầm chưa gia cường: ...............................................................14
2.1.3 Tính tốn dầm gia cường sức kháng uốn bằng bản thép .........................16
2.1.4 Tính tốn dầm gia cường bằng tăng cường tiết diện: ..............................16
2.2. Tính tốn bằng phương pháp phần tử hữu hạn ..............................................16
2.2.1. Cơ sở tính tốn theo phương pháp phần tử hữu hạn ..............................16
2.2.2. Cơ sở lý thuyết tính tốn bằng phần mềm Abaqus ................................17
2.3 Bài tốn tính tốn gia cường: ..........................................................................18
2.3.1 Cơ sở quy đởi: .........................................................................................18
2.3.2 Kích thước quy đởi dầm thí nghiệm ........................................................18
2.4 Tính tốn gia cường dầm thực tế bằng phương pháp truyền thống: ...............20
2.4.1 Sức kháng uốn dầm chưa gia cường (0,5HL93): ....................................21
2.4.2 Sức kháng uốn dầm gia cường bằng bản thép (0,65HL93): ...................21
2.4.3 Sức kháng uốn dầm gia cường khi mở rộng tiết diện (0,65HL93): ........21
2.5 Tính tốn dầm thí nghiệm bằng phương pháp truyền thống: .........................22


iv
2.5.1 Sức kháng uốn dầm thí nghiệm khi chưa gia cường: ..............................22
2.5.2 Sức kháng uốn dầm thí nghiệm khi gia cường bằng bản thép: ...............22
2.5.3 Sức kháng uốn dầm thí nghiệm khi gia cường bằng mở rộng tiết diện: .22
2.6 Tính tốn dầm thí nghiệm bằng phần mềm Abaqus: ......................................23
Chương 3 - BÀI TOÁN THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ GIA
CƯỜNG ........................................................................................................................31
3.1. Cơ sở của bài toán thực nghiệm: ...................................................................31
3.2. Quá trình tiến hành thực nghiệm ...................................................................32
3.2.1. Cấu tạo dầm thí nghiệm..........................................................................32
3.2.2. Q trình chế tạo dầm thí nghiệm ..........................................................32
3.2.3. Quá trình nén tạo nứt dầm ......................................................................35

3.2.4. Quá trình gia cường ................................................................................37
3.2.5. Quá trình gia tải nén phá hủy .................................................................39
3.3. Kết quả thực nghiệm ......................................................................................42
3.3.1. Ứng suất, độ võng quá trình nén tạo nứt: ...............................................43
3.3.2. Xét dầm đối chứng: ................................................................................44
3.3.3. Dầm gia cường dán bản thép: .................................................................45
3.3.4. Dầm gia cường mở rộng tiết diện:..........................................................46
3.4. So sánh đánh giá hiệu quả giữa thực nghiệm, lý thuyết và phần mềm Abaqus
.......................................................................................................................................47
3.5. Kết luận ..........................................................................................................49
KẾT LUẬN ..................................................................................................................50
TÀI LIỆU THAM KHẢO
QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (Bản sao)


v
“NGHIÊN CỨU HIỆU QUẢ CÁC BIỆN PHÁP GIA CƯỜNG SỨC KHÁNG
UỐN SỬ DỤNG BẢN THÉP VÀ MỞ RỘNG TIẾT DIỆN BẰNG THỰC
NGHIỆM VÀ MƠ HÌNH SỐ”
Học viên: Trần Trung Nhân
Chun ngành: Kỹ thuật Xây dựng Cơng trình giao thơng
Khóa: 31 Trường Đại học Bách khoa – ĐHĐN
Tóm tắt - Việc đầu tư cho cơ sở hạ tầng là nhu cầu cần thiết để thúc đẩy sự phát triển kinh tế.
Nhưng nếu muốn nâng tải trọng cầu thì phải xây mới đó là điều rất lãng phí nếu cầu cịn sử
dụng tốt và chỉ một vài cấu kiện trong toàn bộ kết cấu không đảm bảo sức chịu tải khi tăng tải
trọng, vì vậy việc tăng cường gia cường những kết cấu đó rất được chú trọng. Trong đó dầm
là cấu kiện phổ biến nhất. Nghiên cứu này được đề xuất cho biện pháp gia cường dầm cầu bê
tông cốt thép thường bằng hai phương pháp: dán bản thép và mở rộng tiết diện. Từ kết quả
nghiên cứu so sánh khả năng chịu lực khi tăng tải trọng, nhầm chọn ra một phương pháp phù
hợp nhất đối với từng địa phương và từng trường hợp khác nhau. Ở phần nghiên cứu này

chúng ta nén tạo nứt dầm trước khi gia cường để mô phỏng gần đúng với thực tế sự làm việc
của dầm cầu bê tông cốt thép cũ. Khi làm việc có cả 3 phương pháp: tính gia cường bằng lý
thuyết cổ điển, bằng phần mềm Abaqus và kiểm chứng bằng thực nghiệm sẽ cho ta nhiều kết
quả, từ đó có thể xác định được phương pháp gia cường tốt nhất và cách thiết kế gia cường
chính xác nhất khi cần.
Từ khóa – Biện pháp gia cường; bê tơng cốt thép thường; dán bản thép; mở rộng tiết diện;
thực nghiệm
“STUDY ON THE EFFECTIVENSS OF BENDING RESISTANCE
STRENGTHENING BY STEEL PLATES AND CROSS SECTION EXTENSION
WITH EMPIRICAL MODEL AND ABAQUS SOFTWARE”
Abstract - Infrastructural investment is a vital need for acceleration of economic
development. But it would be a huge waste for construction of new bridge if we only want to
increase bridge load, in case where bridge is in good operational condition except few
structural components could not meet the load increment requirement. As such, resistance
strengthening for steel structures is utmost important while girders are most common items.
This study aims to propose bridge girder strengthening method for normal reinforced concrete
bridges by two techniques: steel plate adherence and cross section expansion. Based on the
comparative outcomes when studying load resistance capacity during load increment, it would
be able to select one best and suitable method depending on the location and specific case. In
this study, we will create a crack at a girder by compressing prior to strengthening in order to
simulate the actual working girder of an old normal reinforced concrete bridge. We will get
various outputs from three working techniques: strengthening theoretical calculation, by
Abaqus software and verification of experimental model, that would help to determine which
one is best strengthening method and most accurate design for strengthening when necessary.
Key words - strengthening method, reinforced concrete, steel plate adherence, cross-section
expansion, experimental model.


vi

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
BTCT
DƯL
ĐBVN
GTVT
PPPTHH
PTVPTP
TCN
TCTD
TTGH CĐ
TTGH SD

: Bê tông cốt thép
: Dự ứng lực
: Đường bộ Việt Nam
: Giao thông vận tải
: Phương pháp phần tử hữu hạn
: Phương trình vi phân từng phần
: Tiêu chuẩn ngành
: Tăng cường tiết diện
: Trạng thái giới hạn Cường độ
: Trạng thái giới hạn Sử dụng


vii

DANH MỤC CÁC BẢNG
Số hiệu
bảng
2.1

2.2
2.3
2.4
2.5
2.6
2.7
3.1
3.2

Tên bảng
Thông số kĩ thuật của dầm thực tế.
Thơng số kĩ thuật của dầm thí nghiệm.
Tở hợp nội lực theo TTGH CĐ
So sánh kết quả tính tốn khi nâng tải trọng lên 0,65HL93
Quy đởi kích thước vật liệu gia cường theo dầm thí nghiệm
So sánh kết quả tính tốn theo lý thuyết cở điển khi tải trọng
là 0,65HL93 của dầm thí nghiệm
So sánh kết quả lý thuyết và phần mềm Abaqus
Bố trí số lượng dầm thí nghiệm gia cường
Kết quả mô men giới hạn

Trang
18
19
20
21
22
23
29
32

48


viii

DANH MỤC CÁC HÌNH
Số hiệu
hình
1
2
3
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
2.6
2.7
2.8
2.9
2.10
2.11
2.12
2.13
2.14

2.15
2.16
2.17
2.18
2.19
2.20
2.21
2.22
2.23
2.24
3.1
3.2

Tên hình
Cần thiết của việc nghiên cứu gia cường
Hiện trạng cầu ở Việt Nam năm 2014
Xe quá tải qua cầu yếu
Gia cường bằng tăng cường tiết diện
Hình ảnh thực tế gia cường bằng tăng cường tiết diện
Tăng cường khả năng chịu uốn của dầm bê tông cốt thép
Gia cường bằng bản thép dầm BTCT thường.
Cầu Bà Rén (Quảng Nam)
Mặt cắt ngang dầm chưa gia cường
Mơ hình tính tốn gia cường sức kháng uốn bằng dán bản thép.
Giao diện phần mềm Abaqus 6.13.
Mặt cắt ngang dầm thực tế.
Mặt cắt ngang dầm thí nghiệm
Thí nghiệm vật liệu gia cường.
Mơ hình dầm bê tơng.
Mơ hình tồn bộ hệ thống cốt thép.

Mơ hình vật liệu gia cường uốn
Thiết lập vật liệu cốt thép dọc.
Gán mặt cắt vào cấu kiện dầm bê tơng.
Lắp ghép cấu kiện.
Thiết lập phân tích
Thiết lập ràng buộc
Thiết lập tải trọng
Thiết lập điều kiện biên
Chia lưới dầm bê tông
Chia lưới vật liệu gia cường uốn
Chia lưới hệ thống cốt thép
Thiết lập công việc
Chuyển vị trong dầm gia cường bản thép
Phổ ứng suất trong cốt thép dầm
Phổ ứng suất trong dầm gia cường bản thép
Quan hệ giữa lý thuyết và phần mềm Abaqus
Sơ đồ bố trí tải trọng khi uốn.
Kích thước và bố trí cốt thép dầm thí nghiệm.

Trang
1
2
2
8
9
10
10
11
14
16

17
19
20
22
24
24
24
25
25
25
26
26
26
27
27
27
27
28
28
28
29
29
31
32


ix
Số hiệu
Tên hình
hình

3.3
Gia cơng ván khn.
3.4
Gia cơng cốt thép.
3.5
Lắp đặt cốt thép, lắp dựng ván khuôn
3.6
Đổ, đầm và tạo phẳng bề mặt bê tông dầm.
3.7
Đúc mẫu nén cường độ bê tông.
3.8
Dầm vừa mới chế tạo xong.
3.9
Dầm đạt cường độ.
3.10
Kiểm tra dầm trước khi nén và đánh số thứ tự
3.11
Sơ đồ khung trục mơ hình nén tạo nứt
3.12
Dán Strain gage đo biến dạng và nối với máy vi tính hiển thị.
3.13
Tìm đo vết nứt, vẽ và ghi lại giá trị lực nét tạo nứt
3.14
Mài nhẵn bề mặt g/c uốn dán bản thép
3.15
Tạo nhám chuẩn bị bề mặt tiếp xúc g/c mở rộng tiết diện.
3.16
Vệ sinh bề mặt trước khi gia cường
3.17
Pha trộn keo và dán bản thép.

3.18
Lắp đặt ván khuôn, cốt thép và đổ bê tông.
3.19
Các loại thiết bị sử dụng trong thí nghiệm nén phá hủy
3.20
Lắp đặt đồng hồ chuyển vị và dây rung đo biến dạng
3.21
Tiến hành gia tải ghi số liệu và tìm vết nứt
3.22
Dầm bắt đầu nứt và bị phá hủy
3.23
Lắp đặt đồng hồ chuyển vị và dây rung đo biến dạng
3.24
Tiến hành gia tải ghi số liệu và tìm vết nứt
3.25
Dầm bắt đầu nứt và bị phá hủy
3.26
Dầm sau khi thí nghiệm gia cường sức kháng uốn bằng bản thép.
3.27
Dầm sau khi thí nghiệm gia cường sức kháng uốn bằng TCTD
3.28
Quan hệ tải trọng – độ võng quá trình nén tạo nứt dầm
3.29
Quan hệ tải trọng - ứng suất quá trình nén tạo nứt dầm
3.30
Quan hệ tải trọng - ứng suất dầm không gia cường
3.31
Quan hệ tải trọng – độ võng dầm không gia cường
3.32
Quan hệ tải trọng - ứng suất dầm gia cường bản thép

3.33
Quan hệ tải trọng – độ võng dầm gia cường bản thép
3.34
Quan hệ tải trọng-ứng suất dầm mở rộng tiết diện
3.35
Quan hệ tải trọng-độ võng dầm mở rộng tiết diện
3.36
Quan hệ tải trọng – độ võng theo lý thuyết
3.37
Quan hệ tải trọng – độ võng đo bằng thực nghiệm của các

Trang
32
33
33
34
34
34
35
35
36
36
36
38
38
38
39
39
40
40

41
41
41
42
42
42
43
43
44
44
45
45
46
46
47
47
48


x
Số hiệu
hình

3.38

Tên hình
phương pháp gia cường khi gia tải đến cấp tải 3,4T (dầm đối
chứng phá hủy ở tải 3,6T)
Quan hệ tải trọng – độ võng đo bằng thực nghiệm của các
phương pháp gia cường ở cấp tải phá hủy

Trang

48


1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Việt Nam có điều kiện thời tiết phức tạp, bất lợi cho công trình xây dựng nói
chung và kết cấu bê tơng cốt thép nói riêng. Xét tỉnh Trà Vinh, sự xâm thực mạnh của
môi trường gây ra hiện tượng rỉ thép, bong tróc lớp bê tơng bảo vệ và làm giảm sức
chịu tải của hệ thống kết cấu chịu lực bằng bê tơng cốt thép. Cùng với sự phát triển
nhanh chóng của nền kinh tế quốc dân, thì sự phát triển của các ngành nghề nói chung,
đời sống người dân nói riêng cũng được nâng cao, đòi hỏi sự phát triển của cơ sở hạ
tầng kỹ thuật phù hợp trong đó có mạng lưới giao thông. Để phát triển mạng lưới hạ
tầng giao thông, sửa chữa và nâng cấp thường là giải pháp hữu hiệu vì việc thay mới
hàng loạt cơng trình địi hỏi khoản tài chính rất lớn, khó có thể đáp ứng được. Việc
nghiên cứu các giải pháp công nghệ sửa chữa, gia cường để duy trì và phục hồi sự làm
việc bình thường của kết cấu cơng trình cầu bằng bê tông cốt thép là một yêu cầu cấp
thiết. 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. Nghiên cứu này so sánh, đánh giá hiệu quả
gia cường sức kháng uốn khi sử dụng biện pháp gia cường dán bản thép và mở rộng
tiết diện đối với cầu BTCT thường dựa trên kết quả thực ngiệm và kết từ phần mềm
Abaqus.

Hình 1: Cần thiết của việc nghiên cứu gia cường
Tính đến năm 2014, theo báo cáo của Tổng cục ĐBVN, hệ thống quốc lộ nước ta
hiện có tởng chiều dài trên 19.000 km, trong đó có hơn 4.700 cây cầu do Tởng cục

Đường bộ quản lý [1]. Theo thống kê sơ bộ, toàn quốc có 1.672 cây cầu lạc hậu về
chức năng khai thác cần phải nâng cấp, cải tạo xây dựng mới, trong đó, có 566 cầu


2
được đánh giá là yếu [1]. Có 45 cầu cần được sửa chữa ngay trong giai đoạn 2012 2015, 262 cầu cần sửa chữa lớn giai đoạn 2015 - 2020.

Hình 2: Hiện trạng cầu ở Việt Nam năm 2014
theo báo cáo của Tổng cục ĐBVN (Nguồn ).
Nguyên nhân chủ yếu là do đa số các cây cầu được xây dựng từ lâu (trước 1954)
mang quy mô bé, cường độ vận tải thấp, chịu ảnh hưởng của chiến tranh… công tác
duy tu, bảo dưỡng, vận hành khai thác chưa được chú trọng, xe quá tải ngày càng
nhiều. Bên cạnh đó, nhiều cây cầu BTCT cũ được xây dựng sau này cũ đã xuất hiện
các hư hỏng như xuất hiện các vết nứt, bị phá hủy tầng bảo hộ hay hư hại các liên kết
ngang... Vì vậy cũng khơng đảm bảo điều kiện an toàn cho vận tải. Trong khi nhu cầu
vận tải trên toàn quốc ngày càng tăng nhanh, tải trọng của các phương tiện qiao thơng
ngày càng tăng thì việc khả năng khai thác sử dụng của các cây cầu cũ này rõ ràng là
khơng cịn đảm bảo.

Hình 3: Xe quá tải qua cầu yếu


3
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, …
Trong đó, việc gia cường nhằm tăng cường sức kháng uốn đóng một vai trị hết
sức cần thiết và quan trọng trong cơng tác gia cường sửa chữa cầu cũ. Cho đến hiện
nay, để đi tìm câu trả lời cho những vấn đề sau ln là vấn đề khó trong cơng tác duy
tu sửa chữa cầu:
- Lựa chọn biện pháp gia cường nào là hiệu quả?
- Hiệu quả sau khi gia cường là bao nhiêu?
- Tương quan giữa tính tốn lý thuyết và thực nghiệm là như thế nào?
Để giải quyết những vấn đề trên cần phải có những nghiên cứu chi tiết kết hợp
giữa lý thuyết và thực nghiệm. Do đó, em chọn đề tài : “Nghiên cứu hiệu quả các biện
pháp gia cường sức kháng uốn sử dụng bản thép và mở rộng tiết diện bằng thực
nghiệm và mơ hình số”.
2. Đối tượng nghiên cứu của đề tài
- Các 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 của dầm bê tông cốt thép thường bằng dán
bản thép và mở rộng tiết diện.
- Kiểm chứng bằng thực nghiệm sức kháng uốn khi gia cường bằng 2 phương
pháp trên.
4. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
- Tính tốn sức kháng bằng lý thuyết.
- Đề xuất gia cường bằng dán bản thép và mở rộng tiết diện.
- Kiểm chứng hiệu quả gia cường bằng phần mềm Abaqus.
- Kiểm chứng hiệu quả gia cường bằng mơ hình thực nghiệm.
5. Phương pháp nghiên cứu
Tính tốn gia cường cho cơng trình cầu BTCT thường thực tế, sau đó quy đởi 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 phân tích kết cấu


4
dầm BTCT thường bằng phần mềm Abaqus.
- Nghiên cứu trên mơ hình thực nghiệm.
- So sánh, đánh giá hiệu quả nghiên cứu.
6. Kết cấu của đề tài:
Chương 1: Tổng quan về các biện pháp gia cường
1.1. Tổng quan về cầu BTCT thường
1.2. Các biện pháp gia cường của cầu cũ
1.2.1. Gia cường bằng tăng cường tiết diện
1.2.2. Gia cường bằng dán bản thép
1.3. Xu hướng áp dụng của các biện pháp gia cường
1.4. Những vấn đề còn gặp phải của công tác sửa chửa, gia cường cầu
Kết luận chương 1
Chương 2: Cơ sở lý thuyết
2.1. Phương pháp tính tốn truyền thống
2.1.1. Các giả thuyết tính tốn
2.1.2. Tính tốn dầm chưa gia cường
2.1.2.1. Tính tốn đặt trưng hình học và các tham số liên quan
2.1.2.2. Tính tốn sức kháng uốn của dầm
2.1.3. Tính tốn gia cường sức kháng uốn bằng bản thép
2.1.4. Tính tốn gia cường sức kháng uốn bằng mở rộng tiết diện
2.2. Tính tốn bằng phương pháp phần tử hữu hạn
2.2.1. Cơ sở tính tốn theo phương pháp phần tử hữu hạn
2.2.2 Cơ sở tính tốn bằng phần mềm Abaqus
2.3. Bài tốn tính tốn gia cường
2.3.1 Cơ sở quy đởi

2.3.2 Kích thước quy đởi dầm thí nghiệm
2.4. Tính tốn gia cường dầm thực tế bằng phương pháp truyền thống
2.4.1. Sức kháng uốn dầm chưa gia cường
2.4.2. Sức kháng uốn dầm gia cường bằng bản thép
2.4.3. Sức kháng uốn dầm gia cường khi mở rộng tiết diện
2.5. Tính tốn dầm thí nghiệm bằng phương pháp truyền thống
2.5.1. Sức kháng uốn dầm thí nghiệm khi chưa gia cường
2.5.2. Sức kháng uốn dầm thí nghiệm khi gia cường bằng bản thép
2.5.3. Sức kháng uốn dầm thí nghiệm khi gia cường bằng mở rộng tiết diện
2.6. Tính tốn dầm thí nghiệm bằng phần mềm Abaqus
Kết luận chương 2
Chương 3: Bài toán thực nghiệm và đánh giá hiệu quả gia cường
3.1. Cở sở bài tốn thực nghiệm
3.2. Q trình tiến hành thí nghiệm


5
3.2.1. Kết cấu dầm thí nghiệm
3.2.2. Q trình chế tạo dầm
3.2.3. Quá trình nén tạo nứt dầm
3.2.4. Quá trình gia cường
3.2.5. Quá trình gia tải nén phá hủy
3.3. Kết quả thực nghiệm
3.3.1. Ứng suất độ võng quá trình nén tạo nứt
3.3.2. Xét dầm đối chứng
3.3.3. Xét dầm gia cường dán bản thép
3.3.4. Xét dầm gia cường mở rộng tiết diện
3.4. So sánh đánh giá hiệu quả giữa thực nghiệm, lý thuyết và phần mềm Abaqus
Kết luận Chương 3.

6

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ CÁC BIỆN PHÁP GIA CƯỜNG
1.1. Tổng quan về cầu BTCT thường
Theo thống kê tháng 02/2017 của của Tởng cục đường bộ Việt Nam [1] thì:
Tởng chiều dài cầu trên quốc lộ: 395.102 m; Tổng chiều dài cầu trên đường tỉnh:
216.625m. Trong đó trên tồn hệ thống quốc lộ hiện còn 738 cầu yếu. Đây là những
cầu có khả năng chịu tải thấp hơn so với đường, khổ cầu nhỏ hơn khổ đường, cầu
xây dựng đã lâu đã đến giai đoạn phải sửa chữa lớn, cầu hư hỏng nặng về kết cấu
cơng trình có nguy cơ sụp đổ bất cứ lúc nào, phải cắm biển hạn chế tải trọng, hạn chế
tốc độ.
Riêng địa bàn tỉnh Trà Vinh Cầu trên các tuyến Quốc lộ có 51 cây cầu với tổng
chiều dài là 2.612,5 m khổ cầu đảm bảo cho 02 làn xe lưu thông (chiều rộng phần xe
chạy trung bình từ 7,0 m – 8,0 m), tải trọng từ 18 tấn đến 30 tấn riêng cầu Tầm
Phương trên Quốc lộ 54 chỉ có 12 tấn; Cầu trên các tuyến đường tỉnh có 34 cây cầu
với tởng chiều dài 2.440,628 m, khổ cầu đảm bảo cho 02 làn xe lưu thơng (chiều rộng
phần xe chạy trung bình từ 6,0 m – 7,0 m; riêng cầu Ba Động và cầu Kênh II trên
Đường tỉnh 913 chỉ có 3,5 m), tải trọng từ 13 tấn đến 18 tấn; Cầu trên các tuyến đường
huyện có 112 cây cầu với tởng chiều dài 3.931,65 m, những cầu được đầu tư từ những
năm 2006 trở lại đây khổ cầu đảm bảo cho 02 làn xe lưu thông và những cầu được đầu
tư trước năm 2006 chỉ đảm bảo cho 01 làn xe lưu thông với chiều rộng phần xe chạy
từ 3,5 m – 4,0 m; về tải trọng có 40 cây cầu tải trọng từ 10 đến 18 tấn, 61 cây cầu tải
trọng dưới 10 tấn[7].
Những cầu có khả năng chịu tải thấp hơn so với đường, khổ cầu nhỏ hơn khổ
đường, cầu xây dựng từ lâu đã đến giai đoạn phải sửa chữa lớn, cầu hư hỏng nặng về
kết cấu cơng trình có nguy cơ sụp đổ bất cứ lúc nào, phải cắm biển hạn chế tải trọng,
hạn chế tốc độ và phải có cơng nhân gác cầu để điều tiết phương tiện giao thơng. Vì
vậy việc đầu tư sửa chữa để nâng cao khả năng chịu tải cho các cầu yếu trên các quốc

lộ này là hết sức cần thiết. Do sự phát triển kinh tế của đất nước, hiện nay đa phần các
cầu trên phải gánh một lượng vận tải lớn, nhiều khi vượt quá tải trọng cho phép. Mặt
khác, những cơng trình cầu cũ ở nước ta cịn chịu ảnh hưởng của môi trường, chiến
tranh và công tác duy tu bảo dưỡng khơng được thường xun. Chính vì vậy nên có rất
nhiều cầu cũ đang trong tình trạng hư hỏng và xuống cấp nghiêm trọng. Để tiếp tục tận
dụng, khai thác và phát huy khả năng làm việc của công trình cần phải đánh giá, phân
loại hiện trạng và nguyên nhân gây hư hỏng, từ đó nghiên cứu các giải pháp xử lý. Vì
vậy việc đưa ra cơng nghệ vật liệu tiên tiến để sửa chữa hư hỏng cầu BTCT vừa đảm
bảo điều kiện kỹ thuật và điều kiện kinh tế là một cơng việc hết sức có ý nghĩa cho
ngành giao thông vận tại và giải quyết được bài toán cấp thiết của xã hội.


7
Một số nguyên nhân chính gây hư hỏng, xuống cấp cầu:
- Quá trình phá hủy vật liệu do tác động của mơi trường, bão, lũ… : Sự phá hủy
lý hóa của bê tông, sự hư hỏng do hiện tượng ăn mịn cốt thép trong bê tơng, sự hư
hỏng về nứt do co ngót bê tơng.
- Những sai lầm do khảo sát, thiết kế sẽ kéo theo những hư hỏng có thể biểu
hiện theo các dạng: những hư hỏng do tính toán kết cấu, những hư hỏng xảy ra lựa
chọn giải pháp kết cấu không tốt.
- Những hư hỏng liên quan đến thi công: Sản xuất bê tông, cốt thép trong bê
tơng, bố trí cốt thép trong ván khn và thi cơng căng kéo.
- Những hư hỏng trong q trình khai thác sử dụng: thường do sự thay đổi điều
kiện sử dụng, điều kiện môi trường, thiếu duy tu bảo dưỡng thường xun... Những hư
hỏng trong q trình sử dụng phở biến nhất là các hư hỏng về nứt. Các vết nứt này là
do cấu kiện chịu quá tải, do lún khơng đều của cơng trình, do mỏi...
1.2. Các biện pháp gia cường của cầu cũ
Có nhiều biện pháp gia cường được sử dụng hiện nay:
- Gia cường mở rộng tiết diện.
- Gia cường dán bản thép.

- Gia cường dán tấm sợi composide.
- Gia cường bằng bản tựa gối cứng.
- Gia cường bằng căng cáp DUL.
Trong đó có 2 biện pháp: gia cường bằng dán bản thép và mở rộng tiết diện vẫn
được dùng nhiều và có hiệu quả tương đối cao.
1.2.1. Gia cường bằng tăng cường tiết diện
a) Phạm vi áp dụng
Biện pháp gia cường bằng tăng cường tiết diện được áp dụng phổ biến ở các
trường hợp như:
- Môi trường nước mặn, có nhiều chất ăn mịn.
- Tăng chiều cao dầm không ảnh hưởng đến khoảng thông thuyền hay thông xe.
b) Nguyên tắc cấu tạo
Căn cứ vào từng trường hợp cụ thể, việc gia cường cầu cũ bằng phương pháp
tăng tiết diện có thể thực hiện theo nhiều cách:
- Tăng cường tiết diện Bê tông.
- Tăng cường tiết diện cốt thép.
- Tăng cường tiết diện BTCT kết hợp tăng cường tiết diện cốt thép.


8

Hình 1.1: Gia cường bằng tăng cường tiết diện.
Trình tự tăng cường cầu theo phương pháp mở rộng tiết diện như sau:
- Đục tạo nhám lớp bê tông ở khu vực tiếp giáp với lớp bê tông mới khi lớp bê
tơng cũ cịn đạt chất lượng thì chỉ cần tạo nhám bề mặt, cịn nếu lớp bê tơng củ khơng
đạt chất lượng thì đục bỏ có thể lộ cốt thép chủ và cốt thép đai cũ.
- Lắp đặt cốt thép chủ và cốt đai cần tăng cường. Đai mới có thể hàn hoặc gia
công liên kết với cốt đai cũ sẽ tăng khả năng chịu lực.
- Sau khi lắp đặt cốt thép chủ và cốt thép đai mới, tiến hành lắp đặt ván khn, vệ
sinh.

- Đở bê tơng: ta có thể đổ bê tông bằng thủ công hoặc bơm bê tơng, để tăng lớp
bám dính giữa bê tơng cũ và bê tơng mới ta có thể qt nước xi măng hoặc lớp keo (ví
dụ như keo epoxy). Ở đây sự dính kết giữa bê tơng cũ và bê tơng mới là vấn đề rất
quan trọng, nếu thi công không tốt thì hằng năm do t̉i bê tơng khác nhau, độ dính kết
sẽ giảm dần đi. Độ dính kết giữa bê tông cũ và bê tông mới phụ thuộc rất nhiều yếu tố
như điều kiện đổ bê tông, phương pháp đầm và bảo dưỡng, cách thức gia công mặt
tiếp xúc, thành phần hạt cốt liệu, liều lượng xi măng…
- Bảo dưởng bê tông sau khi đổ.


9

Hình 1.2: Hình ảnh thực tế gia cường bằng tăng cường tiết diện.
Bê tông ốp tăng cường tiết diện nên dùng bê tơng có mác khơng nhỏ hơn mác bê
tơng của kết cấu cũ. Tùy theo điều kiện sử dụng cơng trình mà chọn loại xi măng thích
hợp. Chiều dày tối thiểu khi dùng bê tông phun 30-40m và không dưới 60mm khi đỗ
thủ công.
Nếu mức độ tăng cường khả năng chịu lực của dầm khơng nhiều lắm thì chỉ cần
tăng số lượng cốt thép chủ bằng cách hàn thêm một số cốt thép phụ thuộc vào những
cốt thép chủ cũ của dầm, rồi trát vữa xi măng hay phun bê tơng. Có thể hàn trực tiếp
cốt thép mới vào cốt thép cũ, hoặc đặt một miếng nêm vào giữa chúng; miếng nêm này
là đoạn thép trịn, đường kính 10-30mm, dài độ 8-20cm; các đoạn hàn cách nhau
khoảng 10cm. Như vậy, chiều cao của tiết diện được gia cường tăng lên 2-8cm. Nếu
cần tăng khả năng chịu lực của dầm lên nhiều thì phải tăng chiều cao tiết diện dầm về
phía dưới bằng cách đặt thêm cốt thép chủ mới, hàn vào cốt thép chủ cũ bằng các đoạn
thép vai bị, thép đai đứng hoặc xiên. Đúc bê tơng gia cường dầm có thể tiến hành từ
trên xuống qua các lỗ đục sẵn trên sàn và xọc vữa xuống dầm. Biện pháp này không
phải lúc nào cũng thực hiện được, vì nhiều khi trên dầm cịn có các thiết bị cơng nghệ
cản trở việc đục lỗ trên sàn. Có trường hợp áp dụng phương pháp phun bê tông vỏ áo
thành nhiều lớp; mỗi lớp dày không quá 15mm.

c) Phương pháp này có rất nhiều ưu điểm
- Chịu được tốt sự ảnh hưởng xâm thực của môi trường.
- Sửa chữa được những hư hỏng có trước trong cấu kiện mà vẫn giữ được tính
tồn khối của bê tơng cốt thép.
- Khơng thay đởi sơ đồ tính tốn ban đầu nên việc tính tốn chỉ là kiểm tra khả
năng chịu tải của tiết diện sau khi gia cố.
- Không yêu cầu đặc biệt về vật liệu nên khơng bị phụ thuộc khó khăn khi tìm vật
liệu đầu vào.
- Có tính kinh tế, tốn ít vật liệu mà hiệu quả tăng cường vẫn cao.
- Đối với kết cấu không quá lớn phương pháp này sử dụng rất hiệu quả.


10
1.2.2. Gia cường bằng dán bản thép
a) Phạm vi áp dụng
Dùng để sửa chữa sự giảm khả năng chịu lực hoặc hư hỏng của các phần tử kết
cấu. Sử dụng trong những trường hợp tăng cường cường độ sau:
- Tăng cường khả năng chịu uốn của dầm BTCT hoặc bản bê tơng cốt thép tại
vùng có mơ men dương hoặc mô men âm.
- Không cần đục bỏ lớp bê tông cũ vì vậy lớp bê tơng cũ phải cịn cường độ bê
tơng tương đối tốt.

Hình 1.3: Tăng cường khả năng chịu uốn của dầm bê tông cốt thép.
b) Nguyên tắc cấu tạo
Nội dung cơ bản của phương pháp là dán 1 hoặc 2 lớp các dải bản thép độ dày
tùy vào tính tốn gia cường lên bề mặt bê tơng đã được chuẩn bị tốt để khôi phục khả
năng chống nứt, khả năng chịu mô men của các bộ phận kết cấu như dầm chủ, dầm
ngang, bản mặt cầu.

1 - Dầm bê tông; 2 - Chốt treo gông; 3 - Dây hoặc thanh treo

4 - Tăng đơ; 5 - Bản thép; 6 - Thành ngang của gơng đỡ
Hình 1.4: Gia cường bằng bản thép dầm BTCT thường.


11
 Vật liệu dùng trong công nghệ dán bản thép
Keo dán bản thép là loại keo công nghiệp đã được chế tạo sẵn và được cung cấp
từ Công ty Sika với chất lượng đảm bảo. Không sử dụng các loại keo tự pha chế.
Bản thép bằng loại thép CT3 hoặc tương đương có chiều dài tuỳ theo thiết kế và
phù hợp với kích thước bộ phận kết cấu BTCT cần được sửa chữa. Có thể dán bản
thép dọc theo đáy dầm để cải thiện khả năng chịu mô men và ngăn ngừa vết nứt ngang.
Trước khi dán phải làm sạch bề mặt bê tông đáy dầm.
 Hệ thống gá đỡ và tạo lực ép
Tuỳ điều kiện cụ thể và trọng lượng bản thép có thể chọn một trong các hệ thống
gá đỡ và tạo lực ép dán như sau:
- Sử dụng các bu lông neo (nên dùng cho bản thép dán ở đáy bản mặt cầu BTCT
và bản thép dán vào mặt bên của thành dầm).
- Sử dụng hệ thống quang treo bằng thép góc, thép trịn và tăng đơ, móc neo vào
thành dầm (nên dùng cho bản thép dán ở đáy dầm chủ).
 Trình tự thi cơng:
- Chuẩn bị bề mặt bê tông, mài nhẵn tạo diện tịch tiếp súc là lớn nhất.
- Cắt bản thép, vệ sinh bản thép.
- Vệ sinh bề mặt đáy dầm, vị trí cần gia cường.
- Khuấy keo trộn.
- Quét keo lên bề mặt bê tông, quét thật đều.
- Dán và neo bản thép cố định.
- Kiểm tra kết quả thực hiện.
c) Ưu điểm của phương án dán bản thép:
- Giá thành rẻ, dễ thực hiện;
- Thời gian ngừng lưu thông phương tiện giao thơng khơng lâu;

- Tiết kiệm được chi phí đầu tư cơng trình mới.
- Khơng tăng chiều cao dầm nhiều, khơng ảnh hưởng đến khoảng thơng thuyền
hoặc thơng xe.
d) Ứng dụng

Hình 1.5: Cầu Bà Rén (Quảng Nam)


12
1.3. Xu hướng áp dụng của các biện pháp gia cường
Khu vực Đồng bằng sông Cửu Long các biện pháp gia cường cầu chưa được sử
dụng rộng rải, tâm lý xây dựng mới vẫn được các nhà đầu tư ưu chuộng. Khi xây dựng
mới không phủ nhận khả năng phục vụ khai thác là tốt nhất nhưng nguồn vốn đầu tư
rất tốn kém. Đối với những trường hợp mức độ hư hỏng không ảnh hưởng đến khả
năng chịu tải của bản thân (tỉnh tải) hoặc cần tăng tải trọng phục vụ thì nên chọn các
phương án gia cường là hiệu quả nhất, vừa đạt được mục đích và giá thành lại rẻ hơn
cơng tác xây dựng mới. Hiện nay có các biện pháp gia cường như: căng cáp DUL
ngồi, cơng nghệ dán bản thép, công nghệ dán vật liệu composite, hay gia cường bằng
phương pháp tăng cường tiết diện,… 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 là rất cần thiết thay vì xây mới rất tốn kém. Một trong
các biện pháp trên thì cơng nghệ dán bản thép hay gia cường bằng phương pháp tăng
cường tiết diện là 2 phương pháp cũng rất hiệu quả, biện pháp thi cơng đơn giản, chi
phí thấp so với các biện pháp gia cường khác.
1.4. Những vấn đề cịn gặp phải của cơng tác sửa chữa, gia cường cầu
Bên cạnh việc đầu tư xây dựng thì cơng tác duy tu, sửa chửa, bảo trì hệ thống cầu
giữ vai trò quan trọng trong việc phát triển hạ tầng mạng lưới giao thơng. Tình trạng
của các cơng trình cầu cũ đặc biệt là các cơng trình cầu BTCT thường ngày càng
xuống cấp, gây trở ngại lớn cho vận tải, đòi hỏi công tác duy tu, sửa chữa và gia cường
cầu là hết sức cấp thiết. Tuy nhiên, công việc này hiện nay cịn gặp nhiều khó khăn,

bất cập là do:
- Công tác khảo sát, điều tra hư hỏng chưa thực sự chính xác dẫn đến sự lựa chọn
các giải pháp gia cường, sửa chữa chưa thực sự hiệu quả,...
- Các biện pháp gia cường chưa thật sự được sử dụng rộng rải nên chủ đầu tư
chưa thật sự tin tưởng vào kết quả đạt được.
- Trình độ, kỹ thuật thi cơng các biện pháp gia cường, sửa chữa cịn nhiều hạn
chế chưa có quy phạm tiêu chuẩn quy định, phần lớn thi công bằng phương pháp thủ
công là chủ yếu.
Từ những lý do trên, nhận thấy những vấn đề mà ngành GTVT cần quan tâm là:
- Trình tự khảo sát, điều tra hư hỏng, khuyết tật cơng trình phải thật chuyên
nghiệp để đưa ra phương án thiết kế gia cường chính xác từ đó đưa ra biện pháp sửa
chữa, cải tạo hoặc gia cường một cách hợp lý có hiệu quả nhất.
- Mở rộng tăng tải trọng cầu bằng cách gia cường hạn chế xây dựng mới.
- Nâng cao trình độ, kỹ thuật và áp dụng những công nghệ tiên tiến trong công
tác sửa chữa, gia cường.
Kết luận chương 1:
Việc sử dụng biện pháp cải tạo, nâng cấp là cần thiết như những phân tích nêu
trên, trong việc gia cố nâng cấp cơng trình cũng có nhiều biện pháp. Hiện nay các


13
phương pháp này cũng sử dụng tương đối nhiều do nhu cầu ngày càng tăng. Tuy nhiên
hiệu quả mang lại chưa nhiều vì nhiều lý do khác nhau.
Luận văn này, sẽ kế thừa 1 đề tài trước kia đã được triển khai nghiên cứu hiệu
quả gia cường cho cơng trình cầu BTCT thường, tuy nhiên đề tài này sẽ đi sâu hơn là
nghiên cứu gia cường cho cầu cũ, tức là gia cố cho cơng trình cầu khi đã xuất hiện vết
nứt.
Trong giới hạn của luận văn thì tác giả lựa chọn 2 phương pháp gia cường bằng
tăng cường tiết diện và dán bản thép để nghiên cứu.