i

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết
quả ghi trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công
trình nào khác.
Tác giả

Nguyễn Chí Thanh


ii

LỜI CẢM ƠN
Với tất cả tình cảm của mình, tác giả xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn
sâu sắc tới GS.TS Lê Mạnh Hùng, GS.TS Phạm Ngọc Khánh đã tận tình hướng
dẫn, chỉ bảo trong suốt quá trình nghiên cứu hoàn thành luận án.
Tác giả xin trân trọng cảm ơn Cở sở đào tạo Viện Khoa học Thủy lợi Việt
Nam, Viện Thủy Công đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tác giả học tập và hoàn
thành luận án.
Cuối cùng, xin cảm ơn gia đình, đồng nghiệp và bạn bè đã chia sẻ, động
viên, tạo điều kiện cho tác giả hoàn thành luận án này.
Hà nội, ngày

tháng

năm 2017

Nguyễn Chí Thanh



1.4 Các vấn đề nghiên cứu ....................................................................................28


iv

Kết luận chương 1 .................................................................................................32
Chương 2: CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA VIỆC GIA CƯỜNG KẾT CẤU BTCT
BẰNG TẤM COMPOSITE ......................................................................................33
2.1 Ứng xử của kết cấu BTCT khi chịu tải trọng ..................................................33
2.1.1. Ứng xử của vật liệu bê tông .....................................................................34
2.1.2 Ứng xử của vật liệu thép ...........................................................................37
2.1.3 Liên kết giữa bê tông và cốt thép ..............................................................38
2.2 Tính toán kết cấu BTCT bằng phương pháp số ..............................................38
2.2.1 Cơ sở khoa học .........................................................................................38
2.2.2 Phương pháp phân tích PTHH ..................................................................41
2.2.2.1 Giới thiệu chung ....................................................................................41
2.2.2.2Mô hình hóa PTHH ................................................................................42
2.3 Ứng dụng phần mềm phân tích phi tuyến kết cấu BTCT................................45
2.3.1 Một số phần mềm ứng dụng điển hình .................................................45
2.2.2 Lựa chọn phần mềm mô phỏng.............................................................46
2.2.3 Mô hình PTHH với phần mềm ATENA ...............................................47
2.4 Kiểm định kết quả tính toán bằng phần mềm ATENA ...................................51
2.3.3 Kết cấu dầm chịu tải trọng phân bố ......................................................52
2.3.4 Kết cấu dầm kích thước lớn chịu tải trọng tập trung ............................55
2.5 Ứng xử của kết cấu BTCT gia cường bằng tấm composite ............................58
Kết luận chương 2 .................................................................................................58
Chương3: NGHIÊN CỨU CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN HIỆU QUẢ GIA
CƯỜNG KẾT CẤU BTCT BẰNG TẤM COMPOSITE .........................................60
3.1Nghiên cứu ứng xử của kết cấu BTCT gia cường bằng tấm composite theo
phương pháp thực nghiệm .....................................................................................60

3.4.2.2Ảnh hưởng của cường độ bê tông .....................................................100
3.4.2.3Ảnh hưởng của hàm lượng của cốt thép chịu lực .............................102
3.4.2.4Ảnh hưởng của chiều dày lớp bê tông bảo vệ ...................................104
3.5Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng chịu chịu cắt của kết cấu được
gia cường chịu uốn bằng tấm composite .............................................................106
Kết luận chương 3 ...............................................................................................109


vi

Chương 4:

ÁP DỤNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀO TÍNH TOÁN CHO

CÔNG TRÌNH THỰC TẾ ......................................................................................111
4.1 Đặc điểm kết cấu và điều kiện làm việc của CTTL ......................................111
4.2 Quy trình tính toán gia cường KC BTCT bằng tấm composite cho CTTL...113
4.3 Công trình cống Liệt Sơn ..............................................................................116
4.3.1 Hiện trạng về công trình cống Liệt Sơn ..................................................116
4.3.2 Tính toán gia cường kết cấu cống ...........................................................118
4.3.2.1 Mô hình vật liệu ...............................................................................118
4.3.2.2 Mô hình tải trọng..............................................................................119
4.3.2.3 Mô hình hóa hình học kết cấu ..........................................................120
4.3.3 Kết quả tính toán .....................................................................................120
4.3.3.1 Kết cấu trước khi gia cường .............................................................120
4.3.3.2 Kết cấu sau khi gia cường ................................................................122
4.3.3.3 Khảo sát các tham số ........................................................................122
4.3.4 Đánh giá sức chịu tải của kết cấu sau khi gia cường ..............................123
4.4 Công trình cầu máng .....................................................................................126
4.4.1 Sơ lược về kết cấu cầu máng và trình tự thi công ..................................126

Là khả năng chịu cắt lớn nhất của kết cấu hoặc thành phần kết cấu

Composite

Là vật liệu chịu lực được tạo bởi một hỗn hợp các vật liệu chịu lực
cơ bản. Theo đó, cũng có thể hiểu bê tông là một loại vật liệu
composite khi xét kỹ lưỡng từng thành phần cấu tạo như đá, xi
măng, cát, nước và các hạn mịn cũng như các loại vật liệu tạo phụ
gia khác

Tấm composite

Trong luận án này, tấm composite được hiểu là loại vật liệu tổng
hợp từ vật liệu phi kim cường độ cao như sợi các-bon, sợi thủy
tinh, sợi aramid và keo dính cũng như vữa kết nối đặc biệt

Sợi trực hướng

Khi sử dụng tấm composite được tạo bởi lưới sợi vật liệu được đan
vuông góc với nhau với mục đích tạo khả năng chịu lực theo hai
phương thì được gọi là sợi trực hướng

Gia cường

Là việc sử dụng các giải pháp về mặt kết cấu nhằm duy trì hoặc
nâng cao sức kháng của kết cấu theo một yêu cầu được đặt ra

Mức độ gia

Là mức độ yêu cầu của việc gia cường. Ví dụ, gia cường để làm

và lực cắt có giá trị lớn. Nói chung, phá hoại cắt thường gây ra do
cả lực cắt và mô men uốn, nên cũng có thể gọi là phá hoại cắt uốn
kết hợp

Mô phỏng kết Là việc sử dụng các phương pháp phân tích tính toán kết cấu để tạo
cấu

dựng lại các trạng thái chịu lực của kết cấu theo các giai đoạn tác
động của tải trọng hoặc thời gian. Trong luận án này, mô phỏng kết
cấu được hiểu là việc sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để
tính toán, phân tích các trạng thái ứng suất, biến dạng cũng như các
vấn đề cơ học nhằm lý giải ứng xử của kết cấu một cách đầy đủ, rõ
ràng và thuyết phục.

Hàm lượng cốt Là hàm lượng cốt thép trong kết cấu bê tông thực sự tham gia vào
thép có hiệu

việc chịu lực được xem xét nào đó. Ví dụ, nó bao gồm cốt thép dọc
đã có trong kết cấu và tấm composite được gia cường.

Trạng thái giới Là trạng thái mà kết cấu có đại lượng nghiên cứu đạt tới giá trị giới
hạn

hạn được giả định trước.

Trạng thái giới Là trạng thái mà sức kháng của kết cấu đạt tới giá trị lớn nhất
hạn cường độ
Trạng thái giới Là trạng thái mà biến dạng, bề rộng vết nứt,.. của kết cấu đạt tới
hạn sử dụng


ATENA 3D

Chương trình phân tích phần tử hữu hạn chuyên dụng cho phần tử
không gian do công ty Cervenka phát triển

BTCT

Bê tông cốt thép

CFRP

Các bon Fiber Reinforced Polymer

CTTL

Công trình thủy lợi

DIANA

Chương trình phân tích phần tử hữu hạn phi tuyến do công ty
DIANA phát triển

FRP

Fiber Reinforced Polymer

GFRP

Grass Fiber Reinforced Polymer



x

߶

Đường kính cốt thép

ߛ

Hệ số an toàn

ߛ௜

Dung trọng riêng của lớp đất thứ i

ߛ௧௡

Dung trọng riêng tự nhiên của đất

ߛ௕௛

Dung trọng riêng của đất khi bão hòa

ߛđ௡

Dung trọng đẩy nổi

ߟ

Sai số mô hình, được tính là tỷ số giữa kết quả sức kháng từ thí


Khoảng cách tải trọng tập trung và gối dầm đơn giản

aL

Khoảng cách tải trọng tương đương trong tính toán sức kháng cắt
của cấu kiện

b

Bề rộng mặt cắt bê tông cốt thép

c

Khoảng cách mép ngoài thớ chịu kéo của mặt cắt bê tông và trọng
tâm cốt thép dọc vùng bê tông chịu kéo

d

Chiều cao tính toán chịu lực của mặt cắt bê tông cốt thép, được tính
từ thớ chịu nén nhiều nhất đến vị trí cốt thép dọc chịu lực trong
vùng bê tông chịu kéo, ݀ ൌ ݄ െ ܿ

݂௖ ′

Cường độ lăng trụ tiêu chuẩn của bê tông chịu nén

݂௖௞

Cường độ chịu nén lăng trụ của bê tông ứng với xác suất giá trị


Áp lực theo phương đứng (của nước, đất lên trần hoặc đáy cống)

‫ݐ‬௙

Bề dày một lớp vật liệu gia cường

‫ݓ‬௠௔௫

Bề rộng vết nứt lớn nhất của kết cấu bê tông đang xét

‫ݓ‬ௗ

Biến dạng nén giới hạn của bê tông

‫ܣ‬௦

Diện tích mặt cắt ngang cốt thép dọc chịu lực sử dụng trong tính
toán mặt cắt chịu lực bê tông cốt thép

‫ܣ‬௖

Diện tích mặt cắt ngang bê tông, được tính là ‫ܣ‬௖ ൌ ܾ݀

‫ܣ‬௚௖

Diện tích mặt cắt ngang của tấm composite trong tính toán mặt cắt
chịu lực của kết cấu gia cường

BDi

Mô đun đàn hồi của vật liệu gia cường

‫ܩ‬ி

Năng lượng phá hủy của bê tông

‫ܮ‬௖

Khoảng cách điểm cuối lớp gia cường tới điểm mô men uốn bằng
không


xii

ܶ௚

Nhiệt độ giới hạn của vật liệu kết dính

ܸ௖

Sức kháng cắt của cấu kiện bê tông cốt thép

ܸ௖ௗ

Sức kháng cắt thiết kế của cấu kiện bê tông cốt thép, là sức kháng
cắt tính toán sau khi đã xem xét các hệ số an toàn

ܸ௖௠

Sức kháng cắt trung bình của cấu kiện bê tông cốt thép, ứng với hệ


Bảng 2.3: So sánh kết quả thí nghiệm và tính toán với dầm cao 4m

58

Bảng 3.1: Các thông số của mẫu thi nghiệm

62

Bảng 3.2: Kết quả thí nghiệm của mẫu bê tông

65

Bảng 3.3:Các thông số của chương trình thí nghiệm

71

Bảng 3.4: Kết quả thí nghiệm của mẫu bê tông

73

Bảng 3.5: So sánh kết quả tính toán theo các công thức khác nhau

93

Bảng 4.1: Ảnh hưởng của các tham số tới ứng xử của kết cấu

123

Bảng 4.2: So sánh giữa các kết quả đo và tính toán

Hình 1.1b: Bê tông thành cầu máng bị nứt vỡ khi chịu tải trọng - Cầu máng trên
kênh tưới hồ Tà Keo - Lạng Sơn

11

Hình 1.1c: Bê tông cống bị tróc rỗ bề mặt (trái) và nhũ vôi, đùn rỉ thép (phải)Cống lấy nước dưới đập thuộc hồ chứa nước Liệt Sơn, tỉnh Quảng Ngãi

12

Hình 1.2: Ứng suất-biến dạng của vật liệu cốt sợi carbon và sợi thủy tinh

15

Hình 1.3: Gia cường kết cấu dầm bê tông cốt thép về kháng uốn

16

Hình 1.4: Gia cường kết cấu dầm, cột BTCT tăng khả năng chịu cắt

16

Hình 1.5: Các dạng phá hoại điển hình của cấu kiện chịu uốn được gia cường bằng
tấm sợi tổng hợp

21

Hình 2.1: Biểu đồ lực - chuyển vị của ứng xử một chiều

33


53

Hình 2.10: Sự phân bố vết nứt ở trạng thái phá hoại

53

Hình 2.11: Sự phân bố vết nứt ở trạng thái phá hoại theo kết quả tính toán

54

Hình 2.12: Biến dạng tại vị trí giữa bản phụ thuộc vào tải trọng

55

Hình 2.13: Hình ảnh thí nghiệm và cấu tạo của dầm

56

Hình 2.14: Hình ảnh vết nứt của dầm trong thí nghiệm cắt

56

Hình 2.15: Hình ảnh thí nghiệm và cấu tạo của dầm

57

Hình 2.16: Biểu đồ tải trọng tập trung tác dụng và chuyển vị

57



Hình 3.8: Thí nghiệm bản bê tông cốt thép gia cường bằng tấm composite

72

Hình 3.9: Hình ảnh kết quả thí nghiệm của bản ở trạng thái phá hoại

74

Hình 3.10: Dạng phá hoại của bản gia cường

75

Hình 3.11: Biểu đồ quan hệ chuyển vị-tải trọng ở vị trí giữa bản

76

Hình 3.12: Biểu đồ biến dạng của mặt cắt giữa bản B03

76

Hình 3.13: Biểu đồ vết nứt của dầm dưới tác dụng của tải trọng uốn

78

Hình 3.14: Biểu đồ phân bố vết nứt và bề rộng vết nứt của dầm.

79

Hình 3.15: Biểu đồ ứng suất cốt thép trong dầm


Hình 3.23: Sơ đồ kết cấu mô phỏng bằng phương pháp phần tử hữu hạn

83

Hình 3.24: Chuyển vị, vết nứt và biến dạng dẻo của bản tại tải trọng cực hạn

84

Hình 3.25: Chuyển vị, vết nứt và ứng suất dọc của bản tại tải trọng cực hạn

84

Hình 3.26: Chuyển vị phụ thuộc tải trọng của kết cấu bản không gia cường

84

Hình 3.27: Chuyển vị, vết nứt và ứng suất theo phương X của bê tông bản tại tải
trọng cực hạn

85

Hình 3.28: Chuyển vị tại vị trí giữa bản B02 phụ thuộc vào tải trọng

85

Hình 3.29: Chuyển tại vị trí giữa bản B03 phụ thuộc vào tải trọng

86



101

Hình 3.37: Quan hệ tải trọng giới hạn và cường độ bê tông

102

Hình 3.38: Quan hệ tải trọng và chuyển vị phụ thuộc vào hàm lượng cốt thép

103

Hình 3.39: Quan hệ tải trọng giới hạn và hàm lượng cốt thép thường

103

Hình 3.40: Quan hệ chuyển vị và tải trọng giới hạn phụ thuộc vào chiều dày
lớp bê tông bảo vệ

105

Hình 3.41: Quan hệ tải trọng giới hạn và chiều dày lớp bê tông bảo vệ

105

Hình 3.42: Sự phát triển của vết nứt và trạng thái ứng suất trong dầm

104

Hình 3.43: Quan hệ tải trọng giới hạn và chiều dài đoạn bê tông không
gia cường


Hình 4.8: Sơ đồ tính phần tử hữu hạn cho dầm và thành biên cầu máng

132

Hình 4.9: Sơ đồ tính phần tử hữu hạn cho dầm và thành biên cầu máng
(ATENA 2D)

132

Hình 4.10: Hình ảnh vết nứt của kết cấu theo tính toán ở bước tải 2

133


xvii

Hình 4.11: Hình ảnh vết nứt và phân bố ứng suất trong cốt thép ở tải 3

133

Hình 4.12: Biểu đồ tải trọng-độ võng của dầm biên

134

Hình 4.13: Phương án gia cường kết cấu cho dầm chủ

136

Hình A.1.1: Mẫu thí nghiệm kéo để xácđịnh giới hạn bền và môđun đàn hồi


159

Hình A4.3: Đổ bê tông (trái), dỡ ván khuôn (phải)

160

Hình A4.4: Thí nghiệm dầm bê tông gia cường chịu uốn

160

Hình A6.1: Sơ đồ và kết quả thí nghiệm bản bê tông cốt thép chịu uốn

161

Hình A6.2: Hình ảnh kết quả thí nghiệm bản bê tông cốt thép chịu uốn

161

Hình C1: Mô hình phân tích phần tử hữu hạn cho dầm được gia cường không kín
lớp dưới

168

Hình C2: Biến dạng dẻo chính và vết nứt trong dầm tại trạng thái giới hạn, dầm
không gia cường

169

Hình C3: Biến dạng dẻo chính và vết nứt trong dầm tại trạng thái giới hạn, lớp gia


Hình C9: Sơ đồ tải trọng tác dụng lên cống

176

Hình C10: Sơ đồ lực cuối cùng tác dụng lên cống

179

Hình C11: Ứng suất và vết nứt trong kết cấu cống trước khi gia cường

181

Hình C12: Ứng suất và vết nứt trong kết cấu cống sau khi gia cường

182


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 tông cốt thép nói riêng. Sự xâm thực mạnh của môi trường gây
ra hiện tượng rỉ thép, bong tróc lớp bê tông bảo vệ và làm giảm sức chịu tải của hệ
thống kết cấu chịu lực bằng bê tông cốt thép. Trong kết cấu công trình thủy lợi, sự
xâm thực đã làm cho nhiều công trình có kết cấu bằng bê tông cốt thép như các

tải trọng cũng như sức chịu tải của nó là rất cần thiết, không chỉ ảnh hưởng trực tiếp
đến việc lựa chọn mức độ và phương án gia cường mà còn giúp việc quản lý khai
thác được hiệu quả về kỹ thuật và kinh tế.
2.

Mục đích nghiên cứu
Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng chịu lực của kết cấu bê tông

cốt thép được gia cường bằng tấm composite ứng dụng cho công trình thủy lợi. Đề
xuất cơ sở cho việc xây dựng qui trình và phương pháp tính toán thiết kế gia cường
kết cấu bê tông cốt thép bằng tấm composite.
3.

Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu tài liệu: Nghiên cứu, phân tích các thông tin kỹ

thuật liên quan được công bố qua các tài liệu như sách, báo, tiêu chuẩn thiết kế… ở
trong và ngoài nước.
Phương pháp mô hình vật lý:
Mục đích của nghiên cứu thực nghiệm nhằm kiểm định đánh giá, so sánh kết
quả với tính toán bằng mô hình số, qua đó để khẳng định mô hình số hoàn toàn có
thể mô phỏng chính xác ứng xử của kết cấu gia cường bằng tấm composite.
Nghiên cứu thực nghiệm được tiến hành trên 6 dầm bê tông cốt thép kích
thước b x h x L = 150 x 250 x 3000 (mm) với các mức độ gia cường khác nhau; 2
bản bê tông cốt thép kích thước a x b x h = 600 x 1000 x 60 (mm). Ngoài ra các thí
nghiệm liên quan như nén mẫu bê tông, kéo thép, kéo mẫu composite cũng được
tiến hành. Theo quan điểm của tác giả, hình dạng, kích thước, cường độ bê tông và
điều kiện tải trọng như trình bày trong luận án có thể mô phỏng đúng điều kiện làm
việc của công trình thủy lợi.


Ứng xử của kết cấu bê tông cốt thép gia cường bằng tấm composite rất phức

tạp, nhưng chưa được nhiều người nghiên cứu như kết cấu bê tông cốt thép. Đặc
biệt, giải pháp này chủ yếu để gia cường cho kết cấu hiện hữu, do đó nó phụ thuộc
vào tình trạng hiện hữu của kết cấu như về ứng suất, biến dạng, cường độ bê tông,


4

môi trường làm việc,… Luận án từng bước làm rõ các yếu tố ảnh hưởng theo sơ đồ
tiếp cận như sau.

5.

Phạm vi và đối tượng nghiên cứu
x Về đối tượng nghiên cứu: công trình thủy lợi bằng BTCT, các cấu kiện
dầm, tấm, bản.
x Về bê tông và thép: bê tông và thép cường độ trung bình, thép dùng
trong công trình thủy lợi.
x Về vật liệu gia cường: vật liệu tấm composite từ nhà sản xuất Fyfe với
chủng loại SEH-25A có bề dày 0,635mm, cường độ chịu kéo 521 MPa,
mô đun đàn hồi 26,1 GPa và độ dãn dài cực hạn 2%. Keo dính có
cường độ chịu kéo là 72,4 MPa, mô đun đàn hồi 3,18 GPa và độ dãn
dài 5,0%.
x Ứng dụng để sửa chữa, nâng cấp công trình thủy lợi.


5

6.

quan hệ giữa khả năng chịu lực của kết cấu gia cường với các tham số ảnh hưởng
như: cường độ bê tông, hàm lượng cốt thép và chiều dày lớp bê tông bảo vệ.
2) Luận án đã đề xuất được công thức tính toán sức kháng cắt có xét tới
khoảng cách đoạn không gia cường cho kết cấu dạng tấm bản không cốt đai; công


6

thức này cho phép quyết định phạm vi gia cường nhanh chóng và đơn giản hơn các
công thức hiện có.
3) Luận án đã ứng dụng kết quả nghiên cứu để gia cường kết cấu cho cống
dưới đập hồ Liệt Sơn, thi công trong điều kiện ẩm ướt, cường độ của bê tông thấp.
Luận án đã đề xuất các khuyến cáo kỹ thuật phục vụ cho việc xây dựng qui trình và
phương pháp tính toán thiết kế gia cường kết cấu bê tông cốt thép bằng tấm
composite ứng dụng cho công trình thủy lợi.
8.

Bố cục của luận án
Bố cục của luận án, ngoài phần mở đầu, kết luận, tài liệu tham khảo và các

phụ lục, như sau:
Chương 1: Tổng quan về nghiên cứu gia cường kết cấu bê tông cốt thép bằng
tấm composite
Chương này trình bày về hiện trạng hư hỏng cũng như tính cấp thiết của việc
sửa chữa gia cường kết cấu bê tông cốt thép CTTL ở nước ta; tổng quan về một số
giải pháp gia cường kết cấu bê tông cốt thép trong đó tập trung vào phương pháp
dán lớp vật liệu composite; những tiến bộ trong nghiên cứu về ứng xử của kết cấu
gia cường mà trọng tâm là sự làm việc chung giữa các lớp vật liệu cũ và vật liệu gia
cường đã được thực hiện trong và ngoài nước.
Chương 2: Cơ sở khoa học của việc gia cường kết cấu bê tông cốt thép bằng

tính toán.
Chương 4: Áp dụng kết quả nghiên cứu vào tính toán cho công trình thực tế
Tính toán gia cường kết cấu BTCT bằng tấm composite đòi hỏi những phân
tích đầy đủ để đạt được hiệu quả về mặt kỹ thuật - kinh tế. Chương này trình bày
quy trình tính toán gia cường kết cấu BTCT bằng tấm composite cho công trình
thủy lợi. Để minh họa cho việc tính toán này, hai công trình điển hình là cống ngầm
và cầu máng được lựa chọn với những tính toán cũng như đánh giá hiệu quả gia
cường.
Phần kết luận và kiến nghị: Tổng kết những nội dung chính, điểm mới và
các kiến nghị quan trọng của luận án.
Phần tài liệu tham khảo: 10 tài liệu bằng tiếng Việt, 77 tài liệu bằng tiếng
Anh đã được sử dụng để hoàn thành luận án.
Phần phụ lục: Trình bày các bảng biểu, kết quả khảo sát phân tích số, dữ liệu
thí nghiệm được sử dụng trong luận án.