Đánh giá hiệu quả của các biện pháp gia cường sức kháng cắt đối với cầu bê tông cốt thép thường bằng phần mềm Abaqus và thực nghiệm

TS. Cao Văn Lâm TS.Nguyễn Lan Trường Đại Bách Khoa - Đại học Đà Nẵng Người phản biện: TS. Trần Việt Hùng TS. Trần Đình Quý

Tóm tắt: Theo báo cáo của Tổng cục ĐBVN, hiện nay có số lượng rất lớn công trình ở trạng thái kỹ thuật yếu [8], trong đó có một số lượng lớn cầu BTCT thường. Để lựa chọn phương án đầu tư mới hay khôi phục, sửa chữa nâng cấp những công trình cầu này cần có nhiều nghiên cứu, đánh giá đưa ra biện pháp gia cường tốt và phù hợp nhằm đảm bảo hiệu quả kinh tế, kỹ thuật, phù hợp với định hướng phát triển mạng lưới công trình cầu hiện nay. Nghiên cứu so sánh, đánh giá hiệu quả của các biện pháp gia cường sức kháng cắt đối với cầu BTCT thường bằng lý thuyết thông qua phần mềm Abaqus và thực nghiệm.

Từ khóa: Gia cường sức kháng cắt, cầu bê tông cốt thép, phần mềm Abaqus.

Abstract: As reported by the Directorate for Road of Vietnam now has a very large number of weak bridges [8; 9], which has a large number of reinforced concrete bridges. To select a new investment plan, repairing or rehabilitation, of bridges should be more research and evaluation to given good reinforced methods to ensure economic efficiency, technical, suitable with  current bridge network development. This study compared, to assess the effectiveness of methods strengthening shear resistance for reinforced concrete bridge by experimental and Abaqus software.

Keywords: Reinforced shear strength, reinforced concrete bridges, Abaqus software.

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 phải được chú trọng phù hợp với định hướng phát triển hạ tầng giao thông. Hằng năm, luôn có rất 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.

Tính đến năm 2014, theo báo cáo của Tổng cục ĐBVN, hệ thống quốc lộ nước ta hiện có tổng chiều dài trên 19.000km, trong đó có hơn 4.700 cây cầu [8;9]. Cũng theo báo cáo, 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 [8]. Có 45 cầu cần được sửa chữa ngay trong giai đoạn 2012 - 2015, 262 cầu cần sửa chữa lớn giai đoạn 2015 - 2020.

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.

2. Cơ sở lý thuyết

2.1. Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết và mô hình hóa kết cấu theo phương pháp PTHH bằng phần mềm Abaqus [10];

- Nghiên cứu trên mô hình thực nghiệm.

2.2. Tính toán sức kháng cắt theo lý thuyết

2.2.1. Sức kháng cắt của tiết diện chưa gia cường

Sức kháng cắt của tiết diện chưa gia cường được xác định theo Tiêu chuẩn 22TCN.272-05 [1]:

 

(1)

 

2.2.2. Sức kháng cắt của tiết diện được gia cường bằng phương pháp dán bản thép:

Hình 2.1: Tính toán gia cường sức kháng cắt khi sử dụng bản thép

 

Công thức tính sức kháng cắt:                        

 

(2)

 

 (3)   

 

(4)

 

 

 

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

 

Sức kháng cắt của dầm sau khi gia cường:

 

  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.3. Tính toán sức kháng cắt bằng mô hình số

Nhóm tác giả sử dụng phần mềm Abaqus để tính toán sức kháng cắt 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 đặt ra là nâng cấp công trình cầu thực tế từ tải trọng khai thác 0.5HL93 lên 0.65HL93.

Bảng 3.1. Thông số kĩ thuật của dầm thực tế

 

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. 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

 

Hình 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

 

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\

 

3.2. Sơ đồ bố trí tải trọng thí nghiệm

Dựa vào mục đích và điều kiện thí nghiệm, nhóm tác giả đưa ra sơ đồ bố trí tải trọng thí nghiệm như sau nhằm mục đích kết cấu không bị phá hoại do uốn mà chỉ phá hoại do cắt:

Hình 3.2: Sơ đồ bố trí tải trọng khi cắt

 

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 sức kháng kháng cắt của dầm theo các biện pháp gia cường được trình bày ở Bảng 4.1.

Bảng 4.1. Kết quả tính toán dầm thí nghiệm

Nhận xét: Xét theo TTGH cường độ thì gia cường sức kháng cắt bằng dán bản thép đạt kết quả tốt nhất 120,37% và bằng cáp DƯL là 23,02%.

4.2. Tính toán bằng phần mềm Abaqus

Hình 4.1: Quan hệ giữa tải trọng và chuyển vị tại vị trí đặt lực của dầm gia cường sức kháng cắt theo Abaqus.

 

Nhận xét:Kết quả tính toán theo phương pháp PTHH cho thấy, chuyển vị của các dầm gia cường là gần như nhau. Như vậy, dầm gia cường bằng dán FRP và bản thép không làm tăng độ cứng dầm.

4.3. Kết quả thực nghiệm

Hình 4.2: Dầm gia cường FRP                                               Hình 4.3: Dầm gia cường bản thép

 

Hình 4.4: Quan hệ giữa tải trọng và độ võng tại vị trí đặt tải trọng

 

Dựa vào kết quả thí nghiệm (Bảng 4.2) và quan hệ giũa tải trọng và độ võng tại vị trí đặt lực ở Hình 4.4 so sánh tải trọng tại vị trí xuất hiện vết nứt do cắt, tải trọng phá hoại từ đó đánh giá hiệu quả của các biện pháp gia cường.

Bảng 4.2. So sánh vết nứt và hiệu quả gia cường

Nhận xét:Dựa vào kết quả gia cường sức kháng cắt, nhận thấy:

Ban đầu, độ võng tương ứng với cùng một giá trị lực của 3 phương án gia cường là gần như nhau, điều này đúng với kết quả như tính toán bằng phần mềm Abaqus. Sự xuất hiện các vết nứt thẳng góc ở các dầm ở tải trọng xấp xỉ nhau. Tuy nhiên, sau khi trong dầm xuất hiện các vết nứt (>35kN) thì giá trị độ võng ở cùng một cấp lực có sự chênh lệch giữa các phương án. Đó là do các vết nứt có bề rộng khác nhau, chứng tỏ hiệu quả của việc gia cường. Theo kết quả Bảng 4.2, số lượng vết nứt xiên trong dầm đối chứng là ít nhất (7 vết) và số lượng vết nứt xiên trong dầm gia cường bằng bản thép là nhiều nhất (11 vết). Dầm đối chứng có vết nứt xiên xuất hiện sớm nhất (42.6kN) và muộn nhất là dầm gia cường bằng bản thép (55kN). Tương ứng với đó là độ mở rộng vết nứt trong các dầm. Khi vết nứt xiên bắt đầu mở rộng, cùng 1 cấp lực thì độ mở rộng vết nứt trong dầm đối chứng là lớn nhất, sau đó đến dầm gia cường tấm sợi FRP và nhỏ nhất là dầm gia cường dán bản thép. Dầm dán bản thép có độ mở rộng vết nứt nhỏ hơn so với dầm gia cường bằng tấm sợi FRP (2mm < 2,1mm).

- Sức chịu tải: Dầm dán bản thép hiệu quả nhất 71%.

- Độ võng: Độ võng của dầm dán bản thép, dầm FRP và dầm đối chứng là như nhau, điều đó cho thấy độ cứng của dầm gia cường tăng lên không đáng kể.

- Tải trọng khi bắt đầu xuất hiện vết nứt xiên: Dầm dán bản thép lớn hơn tại tải trọng 55kN (tăng 29,1%).

- 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.

4.4. So sánh kết quả và đánh giá

Hình 4.5: So sánh tải trọng giới hạn của các dầm theo tính toán lý thuyết, phần mềm Abaqus và thực nghiệm

- Qua kết quả trình bày ở Hình 4.5 và Bảng 4.3 ta thấy, tải trọng tới hạn tính toán theo lý thuyết là nhỏ nhất và theo thực nghiệm là lớn nhất. Có sự chênh lệch này là do tính toán lý thuyết có xét đến hệ số an toàn, vật liệu làm việc chỉ tính ở giai đoạn đàn hồi và ta không xét sự làm việc đồng thời giữa các loại vật liệu với nhau.

- Khi tính toán bằng lý thuyết và thực nghiệm có sự sai khác khoảng (8% đến 16%). Độ dự trữ an toàn về khả năng chịu tải của phương án gia cường bản thép là 15,72%; đối với gia cường FRP là 8,12%.

- Gia cường bằng phương pháp dán bản thép là 79,39% hiệu quả hơn so với gia cường bằng tấm sợi FRP là 52,33%.

- Kết quả tính toán bằng PTHH có sự chênh lệch với thực nghiệm khoảng 8%.

Bảng 4.3. So sánh tải trọng tới hạn

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 PTHH và mô hình thực nghiệm bài báo thu được các kết quả cụ thể như sau:

- Lựa chọn phương án gia cường bản thép với hiệu quả gia cường 79,39% với độ dự trữ an toàn về khả năng chịu cắt là 15,72%. Hơn nữa, việc thi công phương án gia cường bằng bản thép đơn giản và có thời gian sử dụng lâu dài.

- 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 và vật liệu gia cường là đảm bảo, 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 8 KN 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 8% đến 16%) 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 cacbon”, Tạp chí Khoa học và công nghệ - Đại học Đà Nẵng, số 3(76), trang 28 - 31.

[3]. GS. TS. Lê Đình Tâm (2003), Cầu bê tông cốt thép trên đường ô tô, tập 1,2, NXB. Xây dựng, Hà Nội.

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

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

[6]. Nguyễn Trung Hiếu (2015), Nghiên cứu thực nghiệm về gia cường sức kháng cắt cho dầm bê tông cốt thép bằng tấm sợi thủy tinh”, Tạp chí Khoa học công nghệ Xây dựng, số 3, trang 01 - 9.

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

[8].  http://www.duongbo.vn.

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

[10]. Abaqus tutorial (www. abaqus.com).

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

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

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