Đánh giá hiệu quả của các biện pháp gia cường sức kháng uốn đối với cầu bê tông cốt thép thường bằng kết quả thực nghiệm và mô phỏng số

TS. Cao Văn Lâm TS. Nguyễn Văn Thiên Ân Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng Người phản biên: TS. Nguyễn Lan PGS.TS. Hoàng Phương Hoa

Tóm tắt: Mạng lưới giao thông đường bộ nước ta hiện nay ngày càng mở rộng và phát triển để đáp ứng nhu cầu phát triển kinh tế - xã hội, trong đó tồn tại khá nhiều công trình cầu bê tông cốt thép (BTCT) với trạng thái kỹ thuật của các công trình này đã và đang xuống cấp bởi nhiều nguyên nhân khác nhau. Bên cạnh đó, các công tác duy tu, sửa chữa vẫn còn nhiều bất cập, chưa triệt để dẫn đến chưa đạt được hiệu quả cao. Vì vậy, cần có nhiều nghiên cứu, đánh giá đưa ra biện pháp gia cường tối ưu nhằm đảm bảo hiệu quả kinh tế, kỹ thuật. Nghiên cứu này so sánh, đánh giá hiệu quả  gia cường sức kháng uốn khi sử dụng các biện pháp gia cường đối với cầu BTCT thường dựa trên kết quả thực ngiệm và kết quả số của phần mềm Abaqus.

Từ khóa: Gia cường kháng uốn, bê tông cốt thép, mô phỏng số.

Abstract: Road networks in Vietnam are now increasingly expanded and developed to meet the development of social-economic needs.  However, the existence of quite a lot of reinforced concrete bridges which are at the different technical states. These structures have been degraded by different reasons. Moreover, the maintenance and repairing are still many shortcomings and are not carried out thoroughly, so that the effectiveness of these works are not high. Therefore, it should have more the research to evaluation the optimal strengthening measures to ensure the economic and technical efficiency. This research compares and evaluates the efficiency of several flexural strengthening measures for the reinforced concrete bridges by using the experimental results and numerical results from Abaqus software.

Keywords: Bending resistant, reinforced concrete, numerical simulation.

1. Đặt vấn đề

Để phát triển mạng lưới hạ tầng giao thông, song song với việc xây dựng mới thì việc duy trì sửa chữa các công trình cầu cũ được chú trọng phù hợp với định hướng phát triển. Hằng năm luôn có nhiều nguồn ngân sách để phục vụ cho việc này, tuy nhiên vẫn chưa đủ để đáp ứng cho số lượng lớn cầu cũ ở nước ta.

Theo báo cáo của Tổng cục ĐBVN, tính đến năm 2014, hệ thống quốc lộ nước ta hiện có tổng chiều dài trên 19.000km, trong đó có hơn 4.700 cây cầu [6;7]. Cũng theo báo cáo của Tổng cục ĐBVN, trên mạng lưới đường giao thông hiện 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 được đánh giá là yếu [6].

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 BTCT thường ở nước ta hiện nay là rất cần thiết bởi số lượng cầu BTCT 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 ngân sách hạn hẹp như hiện nay.

2. Cơ sở lý thuyết

2.1. Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết;

- Nghiên cứu mô hình hóa kết cấu theo phương pháp PTHH để phân tích kết cấu dầm BTCT thường bằng phần mềm Abaqus [8];

- Nghiên cứu trên mô hình thực nghiệm;

- So sánh, đánh giá hiệu quả nghiên cứu.

2.2. Tính toán sức kháng uốn theo lý thuyết

2.2.1. Tính toán gia cường bằng mở rộng tiết diện

Hình 2.1: Tính toán gia cường sức kháng uốn bằng mở rộng tiết diện

Giả thuyết chiều dày lớp bê tông gia cường. Tính lượng cốt thép tăng cường từ 2 điều kiện cân bằng [1]:

- Cân bằng về mô-men uốn của tiết diện gia tăng tại vùng kéo với thép bổ sung.

- Cân bằng về lực, khi chiếu tất cả các lực lên trục nằm ngang.

2.2.2. Tính toán gia cường bằng dán tấm FRP

Tính toán biến dạng ban đầu ở đáy dầm tại thời điểm thi công dán tấm FRP [2;5;9;11]:

 

 

 

 

Hình 2.2: Tính toán gia cường sức kháng uốn bằng dán tấm FRP

 

Sức kháng uốn của dầm sau gia cường:

 2.2.3. Tính toán gia cường bằng dán bản thép

Hình 2.3: Tính toán gia cường sức kháng uốn bằng dán bản thép

 

Sức kháng uốn của dầm sau gia cường [1]:

 

2.2.4. Tính toán gia cường bằng căng cáp dự ứng lực ngoài [4]

Sức kháng của dầm gia cường bằng cáp Dự ứng lực ngoài được xác định theo Tiêu chuẩn 22TCN272-05 [1]:

 

2.3. Tính toán sức kháng uốn bằng mô hình số

Nhóm tác giả sử dụng phần mềm Abaqus để tính toán sức kháng uốn theo phương pháp chuyển vị.

3. Mô hình tính toán

3.1. Lựa chọn đối tượng nghiên cứu

3.1.1. Lựa chọn mô hình cầu thí nghiệm

Mục tiêu đánh giá hiệu quả gia cường của cầu BTCT thường có các thông số như Bảng 3.1 với tiêu chí là nâng cấp công trình cầu thực tế từ tải trọng khai thác 0,5HL93 lên 0,65HL93.

Bảng 3.1. Thông số kỹ thuật của dầm thực tế

Chiều dài nhịp	Tải trọng thiết kế	Mặt cắt ngang	Số dầm chủ	Khổ cầu	Số làn xe	Vật liệu
						BT (f’c)	CT (fy)
13 m	0.5HL93	Hình 3.1-a		7+2x1		30 Mpa	300 Mpa

Hạn chế của những nghiên cứu trước đây là cường độ của vật liệu gia cường lớn hơn nhiều so với kích thước của dầm thí nghiệm, dẫn đến kết quả phân tích chưa phản ánh đúng hiệu quả thực sự của bài toán gia cường. Chính từ lý do này, trong nghiên cứu này, các tác giả đã quy đổi để lựa chọn vật liệu gia cường phù hợp với dầm thí nghiệm.

Vật liệu của dầm thí nghiệm và dầm thực tế giống nhau nên ta quy đổi kích thước của dầm thực tế về dầm thí nghiệm thông qua sự tương đồng của độ cứng:

Bảng 3.2. Thông số kỹ thuật của dầm thí nghiệm

 

Chiều dài dầm	Mặt cắt ngang	Vật liệu
		BT (f’c)	CT (fy)
2.8 m	Hình 3.1-b	30 Mpa	300 Mpa

a) - Dầm thực tế                           b) - Dầm thí nghiệm  Hinh 3.1: Mặt cắt ngang dầm

 

3.1.2. Lựa chọn vật liệu gia cường

Dựa vào kết quả tính toán gia cường bằng phương pháp truyền thống sẽ lựa chọn được vật liệu gia cường cần thiết cho dầm nghiên cứu như cột (2) của Bảng 3.3. Quy đổi với lý thuyết quy đổi sẽ có được vật liệu gia cường cho mô hình thí nghiệm như cột (3) của Bảng 3.3:

Bảng 3.3. Vật liệu gia cường

 

	Loại gia cường (1)	Dầm thực tế (2)	Dầm thí nghiệm (3)
Gia cường sức kháng uốn	Dán FRP	3 lớp	1 lớp
	Dán bản thép	Tấm dày 4mm	Tấm dày 1mm
	Cáp DƯL	4 sợi f 6	2 sợi f 6
	TCTD	Dày 80mm; 2f 12	Dày 30mm; 2f 6

Kết quả thí nghiệm vật liệu dùng cho bài toán gia cường được thể hiện ở Bảng 3.4.

Bảng 3.4. Kết quả thí nghiệm vật liệu gia cường

 

Vật liệu gia cường	(Mpa)	Bề dày, đường kính (mm)	fy (Mpa)	fu (Mpa)	f’c (Mpa)
Cáp DƯL	197000		1663	1805
FRP	86900	0.27		903
Bản thép	126000		193	252
Bê tông	30334	30			36

Ghi chú: FRP sử dụng là Tyfo SCH-11UP [11]

4. Kết quả

4.1. Tính toán bằng phương pháp truyền thống

Dựa vào lý thuyết tính toán đã trình bày ở mục 2, kết quả tính toán như sau:

Hình 4.1: Quan hệ giữa tải trọng và độ võng của dầm gia cường sức kháng uốn

Hình 4.2: Quan hệ giữa tải trọng và ứng suất của dầm gia cường sức kháng uốn

 

Nhận xét: Xét theo tính toán giới hạn CĐ thì gia cường sức kháng uốn bằng phương pháp căng cáp dự ứng lực ngoài đạt kết quả tốt nhất (84,27%);

 - Xét theo tính toán giới hạn SD thì độ võng của dầm căng cáp dự ứng lực ngoài là ít nhất, dầm dán FRP và dán bản thép có độ võng nhỏ hơn dầm đối chứng không đáng kể, cho thấy độ cứng của dầm gia cường bằng dán FRP và bản thép tăng lên không nhiều.

 - Từ biểu đồ quan hệ tải trọng - ứng suất cho thấy, dầm gia cường bằng căng cáp dự ứng lực ngoài có hiệu quả nhất.

Bảng 4.1. Kết quả tính toán dầm thí nghiệm

Dầm	Sức kháng uốn
	Giá trị (kN.m)	Hiệu quả (%)
Đối chứng	10,68
Dán FRP	13,73	29,4
Dán bản thép	13,59	27,25
Cáp DƯL	19,68	84,27
TCTD	14,99	40,6

4.2. Tính toán bằng phần mềm Abaqus

Hình 4.3: Quan hệ giữa tải trọng và chuyển vị (l/2) của dầm được gia cường sức kháng uốn theo Abaqus

Hình 4.4: Quan hệ giữa tải trọng và ứng suất (l/2) của dầm được gia cường sức kháng uốn theo Abaqus

 

Nhận xét: Dựa vào kết quả tính toán theo phương pháp phần tử hữu hạn ta thấy, chuyển vị và ứng suất trong bê tông của dầm gia cường dán FRP giảm không nhiều so với dầm đối chứng. Ứng suất của bê tông và chuyển vị của dầm khi gia cường bằng cáp dự ứng lực ngoài giảm đáng kể, cho thấy hiệu quả gia cường là lớn nhất.

4.3. Kết quả thực nghiệm

Hình 4.5: Quan hệ giữa tải trọng và độ võng tại giữa nhịp

 

Bảng 4.2. Tải trọng tới hạn và hiệu quả gia cường

 

	Đối chứng	Cáp DƯL	Dán bản thép	Dán tấm FRP	TCTD
Pxhvn(KN)	6,07	18,5	6,4	7,4	10,4
Pth(KN)	15,48	30,5	17,05	18,85	19,10
Hiệu quả (%)		97,03	10,14	21,96	23,39

Hình 4.6: Quan hệ tải trọng và ứng suất bê tông tại thớ dưới (l/2)

Nhận xét:

- Qua biểu đồ quan hệ tải trọng - độ võng ta thấy, ban đầu quan hệ này gần như là tuyến tính (cấp lực <7kN). Ở giai đoạn này, các dầm được gia cường có độ võng chênh lệch không lớn. Khi cấp lực >7kN thì độ võng bắt đầu tăng nhanh đối với các dầm, do lúc này trong bê tông đã xuất hiện các vết nứt.

- Ở cùng 1 cấp lực thì ứng suất trong dầm đối chứng là lớn hơn so với các dầm được gia cường, điều này chứng tỏ hiệu quả của các biện pháp gia cường. Khi xét đến tải trọng phá hoại thì hiệu quả gia cường sức kháng uốn như Bảng 4.3.

Bảng 4.3. Tải trọng tới hạn và hiệu quả gia cường

 

	Đối chứng	Cáp DƯL	Dán bản thép	Dán tấm FRP	TCTD
Pxhvn(KN)	6.07	18.5	6.4	7.4	10.4
Pth(KN)	15.48	30.5	17.05	18.85	19.10
Hiệu quả (%)		97.03	10.14	21.96	23.39

Hình 4.7: Quan hệ giữa tải trọng - biến dạng tại L/2 của bê tông và vật liệu gia cường

 

Từ biểu đồ 27, khi lực <8KN, biến dạng trong FRP và bê tông là như nhau. Khi lực > 8KN, biến dạng trong FRP lớn hơn trong bê tông cho thấy mất dần sự làm việc đồng thời giữa bê tông và FRP. Trong khi đó, với bản thép, lực

Nhận xét: Dựa vào kết quả gia cường sức kháng uốn, ta thấy:

- Sức chịu tải: Dầm gia cường bằng cáp dự ứng lực ngoài là hiệu quả nhất (97,03%), dán bản thép là kém hiệu quả nhất (10,14%).

- Độ võng: So với dầm đối chứng, dầm gia cường bằng căng cáp dự ứng lực ngoài có độ võng nhỏ nhất. Dầm dán FRP có độ võng lớn nhất, tiếp đến là dầm mở rộng tiết diện; dầm gia cường bằng cáp dự ứng lực có độ cứng lớn nhất.

- Tải trọng khi bắt đầu xuất hiện vết nứt: So với các biện pháp gia cường thì dầm được gia cường dán bản thép xuất hiện vết nứt sớm nhất ở tải trọng 6,4KN.

- Sự làm việc đồng thời giữa các vật gia cường và bê tông: Tính đến tải trọng phá hoại thì sự làm việc đồng thời của bê tông dầm và vật liệu gia cường là đảm bảo, tuy nhiên đối với vật liệu FRP cần có thêm thí nghiệm về sự liên kết giữa bê tông và tấm FRP do trong nghiên cứu này với tải trọng 8KN, sự liên kết đã có dấu hiệu tách lớp.

4.4. So sánh kết quả và đánh giá

 

Nhận xét: Dựa vào các quan hệ giữa tải trọng và ứng suất trên Hình 4.8, 4.9, 4.10, 4.11 và 4.12 cho thấy, khi tính toán bằng lý thuyết thuần túy và phương pháp phần tử hữu hạn không có sự sai khác lớn (5% đến 11%). Còn dựa vào kết quả đo đạc thực nghiệm và tính toán lý thuyết thì ứng suất đo đạc chiếm khoảng 24% đến 43% so với mô hình tính toán lý thuyết, qua đó cho thấy độ dự trữ an toàn về khả năng chịu tải của phương án gia cường cáp dự ứng lực khoảng 43%; phương án gia cường bản thép khoảng 38%, với gia cường FRP khoảng 40% và gia cường tiết diện khoảng 37%. 

5. Kết luận và kiến nghị

Sau khi tiến hành nghiên cứu các biện pháp gia cường theo phương pháp tính toán truyền thống, theo phương pháp phần từ hữu hạn và mô hình thực nghiệm bài báo thu được các kết quả cụ thể như sau:

- Đối với dầm gia cường sức kháng uốn: Theo tiêu chí gia cường sức chịu tải, dầm gia cường bằng cáp dự ứng lực là hiệu quả nhất (97,03%) với độ dữ trữ an toàn 43%.

- Sự làm việc đồng thời giữa các vật gia cường và bê tông: Tính đến tải trọng phá hoại thì sự làm việc đồng thời của bê tông dầm và vật liệu gia cường là đảm bảo, tuy nhiên đối với vật liệu FRP cần có thêm thí nghiệm về sự liên kết giữa bê tông và tấm FRP do trong nghiên cứu này với tải trọng 8KN, sự liên kết đã có dấu hiệu tách lớp.

- Giữa thực nghiệm và mô hình tính toán lý thuyết còn có sự sai khác (chênh nhau khoảng 21% đến 43%) do ảnh hưởng của quá trình thi công, đo đạc. Do đó, cần tiến hành thêm nhiều thí nghiệm để kết quả đánh giá chính xác hơn.

Tài liệu tham khảo

[1]. Bộ GTVT (2005), 22TCN 272-05 - Tiêu chuẩn thiết kế cầu, Hà Nội.

[2]. Hoàng Phương Hoa, Phan Duy Minh (2014), Nghiên cứu gia cường dầm bê tông cốt thép bằng tấm vật liệu composite sợi carbon”, Tạp chí Khoa học và Công nghệ, Trương Đại học Đà Nẵng, số 3(76), trang 28-31.

[3]. GS. TS. Nguyễn Viết Trung (2008), Khai thác, kiểm định, gia cố, sửa chữa cầu cống, Trường Đại học GTVT.

[4]. Nguyễn Trường Giang (2013), Hiệu quả sửa chữa cầu Sa Đéc bằng phương pháp căng cáp dự ứng lực ngang kết hợp dán sợi carbon tăng cường dầm chủ, Sở GTVT Đồng Tháp.

[5]. ThS. Vũ Văn Thành, Chỉ dẫn thi công, kiểm tra và nghiệm thu kết cấu tăng cường bằng vật liệu FRP - Tyfo Fibrwrap system.

[6]. Http://www.duongbo.vn.

[7]. Http://duongbo.vn/1301-26938/Danh-gia-hieu-qua-cac-giai-phap-trong-sua-chua-gia-cuong-cau.

[8]. “Abaqus tutorial”, www. abaqus.com.

[9]. ACI Committee 440 - Guide for the Design and Construction of Externally Bonded FRP Systems for Strengthening Concrete Structures.

[10]. ACI 440.2R-08 (2008), Guide for the Design and Construction of Externally Bonded FRP Systems for Strengthening Concrete Structure, American Concrete Institute.

[11]. ISIS M04 (2001), Externally Bonded FRP for Strengthening Reinforced Concrete Structures, MB, Canada.