Tài liệu Khảo sát thực nghiệm ứng xử uốn của dầm liên hợp thép btct tiết diện t ngược sử dụng bê tông cường độ cao

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ------ LÊ THÁI SƠN KHẢO SÁT THỰC NGHIỆM ỨNG XỬ UỐN CỦA DẦM LIÊN HỢP THÉP – BTCT TIẾT DIỆN T NGƯỢC SỬ DỤNG BÊ TÔNG CƯỜNG ĐỘ CAO Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp Mã số ngành : 60 58 02 08 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP. HỒ CHÍ MINH, THÁNG 12 NĂM 2017 Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa- ĐHQG-HCM Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. Lê Văn Phước Nhân..................................................... Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. Bùi Đức Vinh............................................................... Cán bộ chấm nhận xét 1: PGS.TS Nguyễn Minh Long..................................................... Cán bộ chấm nhận xét 2: TS. Lê Trung Kiên.................................................................... Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp.HCM Ngày ….. tháng ….. năm ….. Thành phần hội đồng đánh giá luận văn thạc sỹ gồm: 1. PGS.TS. Nguyễn Văn Hiệp 2. PGS.TS. Nguyễn Minh Long 3. TS. Lê Trung Kiên 4. TS. Hồ Hữu Chỉnh 5. TS. Trần Cao Thanh Ngọc CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG PGS.TS. NGUYỄN VĂN HIỆP TRƯỞNG KHOA KTXD ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM ---------------- Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc ---o0o--- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ và tên học viên: LÊ THÁI SƠN Phái: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 13-09-1988 Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình DD và CN Khóa: 2015 Nơi sinh: Thừa Thiên Huế MSHV: 1570144 1- TÊN ĐỀ TÀI: Khảo sát thực nghiệm ứng xử uốn của dầm liên hợp thép – BTCT tiết diện T ngược sử dụng bê tông cường độ cao 2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:  Khảo sát thực nghiệm khả năng chịu lực và ứng xử của dầm liên hợp thép - bê tông cốt thép tiết diện T ngược sử dụng bê tông cường độ cao.  So sánh kết quả thí nghiệm với nghiên cứu liên quan. 3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 06-02-17 4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 27-12-17 5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. LÊ VĂN PHƯỚC NHÂN TS. BÙI ĐỨC VINH Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua. Tp. HCM, ngày … tháng … năm201… CÁN BỘ HƯỚNG DẪN TS. Lê Văn Phước Nhân BAN QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH TS. Bùi Đức Vinh TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG Lời cảm ơn Tôi chân thành gửi lời cám ơn đến 2 thầy T.S Lê Văn Phước Nhân và T.S Bùi Đức Vinh, những người đã tận tình hướng dẫn cũng như truyền đạt cho tôi những kiến thức cơ bản trong suốt quá trình nghiên cứu để hoàn thành bài luận văn này, bên cạnh đó các thầy còn là điểm tựa cho tôi vượt qua những khó khăn trong quá trình thực hiện đề tài. Chân thành cám ơn tất cả anh chị em nhân viên công ty HOANG VINH T.R.R.C – Las XD516, những người luôn cộng tác và giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện chế tạo mẫu thí nghiệm. Chân thành cám ơn các thầy, các anh chị phòng thí nghiệm xây dựng trường Đại học Bách Khoa Tp.HCM đã tạo điều kiện, giúp đỡ tôi thực hiện quá trình thí nghiệm. Chân thành cám ơn quý thầy cô tại khoa Kỹ thuật Xây Dựng đã truyền đạt cho tôi những kiến thức chuyên nghành trong quá trình học tập tại trường đại học Bách Khoa thành phố Hồ Chí Minh. Cuối cùng tôi xin dành trọn niềm vui và tất cả thành quả gặt hái được gửi đến bố mẹ, anh chị em, những người đã đặt niềm tin tuyệt đối nơi tôi! Thái Sơn i TÓM TẮT Nghiên cứu này tập trung khảo sát thực nghiệm và đánh giá ứng xử của dầm liên hợp thép – bê tông cốt thép sử dụng thép hình dạng chữ T ngược cùng với bê tông cường độ cao ở bản sàn bê tông. Chương trình thực nghiệm tiến hành trên 3 mẫu dầm liên hợp kích thước lớn với chiều dài lên đến 4.0m. Các mẫu thí nghiệm được thiết kế có sự khác biệt về cường độ của bản bê tông, mức độ liên kết giữa bản thép hình và bản bê tông phía trên. Liên kết perfobond dạng tiết diện mở đối xứng, số lượng cốt thép trong mỗi chốt bê tông được áp dụng giống nhau cho tất cả các mẫu thí nghiệm. Mục tiêu của khảo sát thực nghiệm nhằm nghiên cứu ứng xử của dầm liên hợp và đánh giá ảnh hưởng các đặc tính cơ học của bê tông cường độ cao đến ứng xử uốn dầm liên hợp. Thông qua các thông số đo được bao gồm: khả năng chịu lực, quan hệ lực –độ võng, trượt tương đối tại mặt tiếp xúc giữa bản bêtông và dầm thép, biến dạng của bản bêtông và thép hình, biến dạng của liên kết perfobond. Ngoài ra, các so sánh với dầm liên hợp tiết diện chữ T ngược sử dụng bê tông thông thường cũng được thực hiện nhằm hướng tới đề xuất tiết diện kết cấu dầm hợp lý hơn trong từ trường hợp cụ thể. Từ khóa: Kết cấu liên hợp, liên kết perfobond, perfobond hở, bê tông cường độ cao. ii ABSTRACT This study focused observe and experimental investigation on flexural behavior of steel - RC composite beam with inverted T section made of high strength concrete. The experiments conducted on 3 samples associated with the beam size with a length of up to 4.0m. The experimental model was designed with the differences in intensity of the concrete, level interaction between the steel beam and concrete slab. Links perfobond open section as asymmetric information, the amount of each key reinforced concrete are the same for all samples. The objective of the experimental investigation to study the behavior of beams and evaluation of the mechanical properties of high strength concrete to flexural behavior of steel - RC composite beam. Through the measured parameters including ultimate strength, force-deflection, relative sliding at the contact surface between the concrete and steel beams, the deformation of concrete and steel, the deformation associated perfobond. In addition, compared with composite beam with inverted T section made of normal strength concrete also made proposals towards a rational type of beam from specific cases. Keywords: composite structure, perfobond connection, high strength concrete. iii Lời cam đoan Tôi, tác giả của luận văn này cam đoan rằng:  Luận văn này là công trình nghiên cứu thực sự của cá nhân, được thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS. Lê Văn Phước Nhân và TS. Bùi Đức Vinh.  Các số liệu, kết quả được trình bày trong luận văn này là trung thực và chưa từng được công bố dưới bất kỳ hình thức nào.  Các giá trị tham khảo là chính xác, không có chỉnh sửa.  Tôi xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình. Tp.Hồ Chí Minh, ngày .... tháng .... năm 20... Học viên Lê Thái Sơn iv Mục lục Trang Danh sách hình vẽ viii Danh sách bảng xi 1 Giới thiệu 1.1 Dầm liên hợp thép - bê tông cốt thép . . . . . . . 1.1.1 Dầm liên hợp truyền thống tiết diện chữ I, 1.1.2 Dầm tiết diện chữ T ngược . . . . . . . . 1.2 Động lực cho nghiên cứu . . . . . . . . . . . . . . 1.3 Mục tiêu và giới hạn của đề tài . . . . . . . . . . 1.3.1 Mục tiêu của đề tài . . . . . . . . . . . . . 1.3.2 Giới hạn của đề tài . . . . . . . . . . . . . 1.4 Ý nghĩa của đề tài . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.5 Cấu trúc của luận văn . . . . . . . . . . . . . . . 2 Tổng quan 2.1 Giới thiệu dầm liên hợp . . . . . . . . . . . 2.2 Các giai đoạn làm việc của dầm liên hợp . . 2.3 Liên kết kháng cắt trong dầm liên hợp . . . 2.4 Liên kết kháng cắt dạng perfobond . . . . . 2.5 Bê tông cường độ cao . . . . . . . . . . . . . 2.5.1 Khái niệm . . . . . . . . . . . . . . . 2.5.2 Cấu trúc bê tông cường độ cao . . . 2.5.3 Tính chất của bê tông cường độ cao . 2.5.4 Ưu điểm của bê tông cường độ cao . 2.6 Thiết kế dầm theo Eurocode 4 . . . . . . . . . . H . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 1 2 4 5 5 6 6 7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 8 9 10 12 15 15 16 16 18 18 3 Dầm liên hợp thép - bê tông cốt thép tiết diện chữ T ngược 3.1 Cấu tạo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2 Phân bố chịu lực của vật liệu dầm . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.1 Phân tích khả năng chịu lực theo vật liệu dầm . . . . . . 3.2.2 Ví dụ minh họa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3 Những vấn đề cần giải quyết . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4 Một số ứng dụng, nghiên cứu trước . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 20 21 21 22 25 26 v . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4.1 3.4.2 Một số ứng dụng thực tế . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Một số nghiên cứu liên quan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 27 4 Khảo sát thực nghiệm 4.1 Giới thiệu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2 Chương trình thí nghiệm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.1 Nguyên lý thí nghiệm xác định khả năng chịu lực . . . . . . . . 4.2.2 Mô hình mẫu thí nghiệm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.3 Thí nghiệm xác định các thông số của vật liệu đầu vào . . . . . 4.2.3.1 Thí nghiệm xác định cường độ bê tông . . . . . . . . . 4.2.3.2 Thép và cốt thép . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.4 Nhóm mẫu và mục tiêu khảo sát . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.5 Mẫu thí nghiệm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.6 Chế tạo mẫu và chuẩn bị thiết bị thí nghiệm . . . . . . . . . . . 4.2.6.1 Gia công thép hình . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.6.2 Công tác ván khuôn, lắp đặt cốt thép và đổ bê tông . . 4.2.6.3 Lắp đặt thiết bị thí nghiệm . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.7 Sơ đồ gia tải và quy trình thí nghiệm . . . . . . . . . . . . . . . 4.3 Kết quả thí nghiệm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.1 Nhận xét chung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.2 Đánh giá độ võng của dầm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.2.1 Đánh giá chung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.2.2 So sánh độ võng giữa các mẫu . . . . . . . . . . . . . . 4.3.3 Đánh giá sự trượt tương đối giữa dầm thép và bản sàn bê tông . 4.3.3.1 Đánh giá chung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.3.2 So sánh sự trượt giữa các mẫu dầm . . . . . . . . . . . 4.3.4 Biến dạng của bản bê tông . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.4.1 Đánh giá chung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.4.2 So sánh giữa các mẫu dầm . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.5 Biến dạng của dầm thép hình . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.5.1 Đánh giá chung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.5.2 So sánh giữa các mẫu dầm . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.6 Biến dạng của liên kết perfobond . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.7 Dạng phá hoại của dầm liên hợp . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4 So sánh kết quả thực nghiệm của đề tài với nghiên cứu khác . . . . . . 4.4.1 Giới thiệu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.2 So sánh kết quả . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.3 Nhận xét kết quả . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.5 Hạn chế của đề tài và đề xuất giải pháp khắc phục . . . . . . . . . . . 4.5.1 Phân tích đánh giá hiện tượng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.5.2 Đề xuất giải pháp khắc phục . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.6 Kết luận . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.6.1 Ảnh hưởng của cường độ nén bê tông . . . . . . . . . . . . . . . 4.6.2 Ảnh hưởng của mức độ liên kết giữa bản bê tông và thép hình . 31 31 33 33 34 35 35 36 36 37 39 39 40 41 47 48 48 51 51 54 56 56 58 61 61 61 63 63 65 66 68 70 70 71 71 74 74 75 75 76 76 vi 4.6.3 5 Mô 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 Đánh giá khả năng sử dụng của dầm liên hợp dạng T ngược sử dụng liên kết perfobond . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . hình thiết kế dầm liên hợp tiết diện T ngược Phân bố biến dạng, ứng xuất trong dầm . . . . . . . . . . . Tính moment dẻo cho dầm liên hợp đơn giản tiết diện chữ T Ví dụ tính toán . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . So sánh lý thuyết với thực nghiệm . . . . . . . . . . . . . . . Các thành phần cấu tạo dầm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ngược . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 78 78 79 81 83 85 6 Kết luận 6.1 Kết luận . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.1.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng làm việc của dầm liên hợp dạng T ngược sử dụng bê tông cường độ cao . . . . . . . . . . . 6.1.1.1 Ảnh hưởng của việc sử dụng bê tông cường độ cao . . 6.1.1.2 Ảnh hưởng của mức độ liên kết trong dầm . . . . . . . 6.1.1.3 Đánh giá khả năng sử dụng của liên kết perfobond . . 6.1.2 Đánh giá khả năng sử dụng của dầm liên hợp dạng T ngược kết hợp liên kết perfobond và việc sử dụng bê tông cường độ cao . . 6.2 Hướng phát triển của đề tài . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 87 References 89 Tài liệu tham khảo 90 Lý lịch trích ngang 92 vii 87 87 88 88 89 89 Danh sách hình vẽ 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 Dầm liên hợp tiết diện chữ I [1] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Cầu vượt ngã 6 Gò Vấp, Tp. HCM . . . . . . . . . . . . . . . . . . Dầm VFT-WIB [2] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Các loại tiết diện dầm liên hợp chữ T ngược, VFT-WIB [3] . . . . . Dầm liên hợp VFT được sản xuất và vận chuyển đến công trình [4] . . . . . 1 2 2 3 3 1.6 1.7 Cầu ở Kuchl, Áo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Dầm liên hợp dạng chữ I và T ngược . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 5 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 Cấu tạo dầm liên hợp sử dụng liên kết kháng cắt perfobond [5] . . . . . Các giai đoạn làm việc của dầm liên hợp [6] . . . . . . . . . . . . . . . Các mức độ liên kết trong dầm liên hợp [7] . . . . . . . . . . . . . . . . Các mức độ liên kết trong dầm liên hợp [7] . . . . . . . . . . . . . . . . Các loại liên kết perfobond [1] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Nguyên lý làm việc của chốt bê tông [6] . . . . . . . . . . . . . . . . . . Biểu đồ quan hệ ứng suất biến dạng của các loại bê tông [6]; NSC:bê tông thường; HPC: bê tông cường độ cao; UHPC: bê tông cường độ siêu cao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 9 11 11 12 13 Cấu tạo dầm liên hợp tiết diện T ngược . . . . . . . . . . . . . . . . . Perfobond tiết diện kín (a),(b) và perfobond tiết diện hở (c),(d),(e),(f) . Biến dạng và ứng suất dầm liên hợp tiết diện I . . . . . . . . . . . . . . Biến dạng và ứng xuất dầm liên hợp tiết diện T ngược . . . . . . . . . Tiết diện dầm so sánh . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Biểu đồ ứng suất dầm tiết diện I . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Biểu đồ ứng suất dầm tiết diện T ngược . . . . . . . . . . . . . . . . . Vị trí dầm xuất hiện ứng xử cục bộ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Chốt kháng lực cắt dọc dầm [6] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Dầm VFT-WIB [8] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Dầm tiết diện chữ U chế tạo trước [9] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mẫu thí nghiệm push out test [6] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mẫu thí nghiệm uốn dầm tiết diện I [6] . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mẫu thí nghiệm uốn dầm tiết diện T ngược [6] . . . . . . . . . . . . . . Nguyên lý thí nghiệm SPOT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Hình dạng mẫu thí nghiệm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . So sánh ảnh hưởng hàm lượng cốt thép, chiều dày bản bê tông . . . . . So sánh ảnh hưởng cường độ nén bê tông, chiều dày liên kết . . . . . . 20 21 21 22 23 24 24 25 26 26 27 27 28 28 29 29 29 30 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 3.10 3.11 3.12 3.13 3.14 3.15 3.16 3.17 3.18 viii . . . . . 17 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 4.9 4.10 4.11 4.12 4.13 4.14 4.15 4.16 4.17 4.18 4.19 4.20 4.21 4.22 4.23 4.24 4.25 4.26 4.27 4.28 4.29 4.30 4.31 4.32 4.33 4.34 4.35 Hình dạng dầm composite dạng T ngược với liên kết Perfobond Cấu tạo Beam 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Cấu tạo Beam 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Cấu tạo Beam 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kích thước, hình dạng Perfobond . . . . . . . . . . . . . . . . . Thép hình sau khi gia công . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Lắp đặt Strain Gause SG1-4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Lắp đặt cốt thép . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ván khuôn, cốt thép sau khi hoàn thành . . . . . . . . . . . . . Mô hình mẫu thí nghiệm Beam 1, Beam 3 . . . . . . . . . . . . Mô hình mẫu thí nghiệm Beam 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . Lắp đặt mẫu thí nghiệm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Lắp đặt hệ thống đo dữ liệu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vị trí lắp đặt thiết bị đo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Chu trình gia tải cho thí nghiệm . . . . . . . . . . . . . . . . . . Dạng phá hoại các mẫu dầm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Quan hệ giữa lực và độ võng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Độ võng qua từng cấp tải . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . So sánh độ võng giữa các dầm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Quan hệ giữa lực - trượt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Trượt qua từng cấp tải . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . So sánh độ trượt giữa các dầm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Quan hệ giữa lực - biến dạng của bản sàn bê tông . . . . . . . . So sánh biến dạng bản bê tông . . . . . . . . . . . . . . . . . . Biến dạng của dầm thép hình . . . . . . . . . . . . . . . . . . . So sánh biến dạng dầm thép giữa các dầm . . . . . . . . . . . . Biến dạng của liên kết perfobond các dầm . . . . . . . . . . . . Biến dạng Beam 1 qua từng cấp tải . . . . . . . . . . . . . . . . Biến dạng Beam 2 qua từng cấp tải . . . . . . . . . . . . . . . . Biến dạng Beam 3 qua từng cấp tải . . . . . . . . . . . . . . . . So sánh thông số 2 mẫu dầm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . So sánh độ võng giữa các dầm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . So sánh độ trượt giữa các dầm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . So sánh biến dạng dầm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Hình ảnh nứt dọc dầm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1 Ứng suất, biến dạng dầm liên hợp tiết diện T ngược - trục TH đi qua bản bê tông . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ứng suất, biến dạng dầm liên hợp tiết diện T ngược - trục TH đi qua bản bụng dầm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Biểu đồ ứng suất dẻo khi trục trung hòa đi qua bản bê tông . . . . . . Biểu đồ ứng suất dẻo khi trục trung hòa đi qua bản bụng dầm thép . . Sơ đồ làm việc dầm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Biểu đồ ứng suất dẻo Beam 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 ix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 37 38 38 39 39 40 41 41 43 44 45 45 46 47 50 52 53 55 57 59 60 62 63 64 65 67 69 69 70 71 72 72 73 74 78 78 80 81 81 82 5.7 5.8 5.9 5.10 5.11 5.12 Biểu đồ ứng suất dẻo Beam 1 . . . . . . . . . . . . Quan hệ lực độ võng giữa dầm Beam 1 . . . . . . . Quan hệ lực độ võng giữa dầm Beam 3 . . . . . . . Quan hệ lực biến dạng thép hình tại vị trí giữa dầm Quan hệ lực biến dạng thép hình tại vị trí giữa dầm Phân tích cấu tạo dầm liên hợp tiết tiện T ngược . x . . . . . . . . . . . . . . . Beam 1 Beam 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 84 84 85 85 86 Danh sách bảng 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 Thành phần cấp phối bê tông . . . . . . . . . . . . . . . Kết quả thí nghiệm nén mẫu bê tông . . . . . . . . . . . Các thông số kỹ thuật của thép và cốt thép cho bê tông Thông số mẫu thí nghiệm . . . . . . . . . . . . . . . . . Kết quả thí nghiệm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . So sánh thông số 2 mẫu dầm . . . . . . . . . . . . . . . . So sánh kết quả thí nghiệm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 35 36 36 48 70 71 5.1 So sánh khả năng làm việc giữa kết quả lý thuyết và thực nghiệm . . . 83 xi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Chương 1 Giới thiệu 1.1 1.1.1 Dầm liên hợp thép - bê tông cốt thép Dầm liên hợp truyền thống tiết diện chữ I, H Cấu tạo dầm liên hợp truyền thống gồm có dầm thép được làm từ thép hình định hình hay thép tổ hợp hàn có tiết diện I, H liên kết với bản bê tông bằng liên kết kháng cắt. Bản bê tông cốt thép được đặt trên bản cánh dầm thép có khả năng chịu ứng suất nén và dầm thép thì chịu ứng suất kéo, trong một số trường hợp để tránh cho dầm thép bị ăn mòn và rỉ sét có thể bọc bê tông xung quanh dầm. Trong dầm liên hợp thường dùng các dạng liên kết kháng cắt như là liên kết đinh mũ, liên kết dạng khối có tiết diện T, C hay liên kết perfobond (Hình 1.1). Hình 1.1: Dầm liên hợp tiết diện chữ I [1] 1 Thành phố Hồ Chi Minh cũng đã và đang thi công nhiều cầu vượt nhịp với việc ứng dụng loại kết cấu này (Hình 1.2). (a) (b) Hình 1.2: Cầu vượt ngã 6 Gò Vấp, Tp. HCM 1.1.2 Dầm tiết diện chữ T ngược Với việc loại bỏ phần cánh trên của dầm thép hình, kết cấu dầm liên hợp là sự kết hợp bản bê tông bên trên và phần thép hình có dạng T ngược bên dưới. Việc sử dụng dầm tiết diện T ngược đã và đang được sử dụng rộng rãi ở Đức, sản phẩm thương mại hóa được biết đến với tên VFT-WIB (Hình 1.3). Các ứng dụng dầm tiết diện T ngược được thể hiện qua Hình 1.4. Hình 1.3: Dầm VFT-WIB [2] 2 Hình 1.4: Các loại tiết diện dầm liên hợp chữ T ngược, VFT-WIB [3] Điểm đặc biệt của dầm T ngược là khả năng chịu được tải trọng cao, tiết kiệm về mặt kinh tế, có cấu tạo hình dáng đa dạng khi được kết hợp với bê tông. Để có thể giảm thời gian thi công, các sản phẩm dầm VFT được sản xuất tại nhà máy sau đó vận chuyển và lắp đặt tại công trường (Hình 1.5) Hình 1.5: Dầm liên hợp VFT được sản xuất và vận chuyển đến công trình [4] Ứng dụng của sản phẩm VFT-WIB có thể kể đến cầu Kuchl ở cộng hòa Áo (Hình 1.6). 3 (a) (b) Hình 1.6: Cầu ở Kuchl, Áo 1.2 Động lực cho nghiên cứu Dầm liên hợp truyền thống trong kết cấu liên hợp đều được thiết kế ở dạng dầm đơn giản với thép định hình chữ I hay H. Do đó ở giai đoạn khai thác, phần cánh dưới của dầm chịu kéo, cánh trên sẽ chịu nén cùng với bản bê tông hoặc chịu kéo nhưng không phát huy hết khả năng chịu kéo của thép do cánh trên gần trục trung hòa của dầm. Như vậy có một số quan điểm về thiết kế chưa tận dụng hết khả năng chịu lực của các thành phần cấu kiện dầm, cụ thể: - Thừa khả năng chịu nén, đặc biệt khi sử dụng bê tông cường độ cao, ngược lại thiếu khả năng chịu lực trong vùng kéo. - Khả năng xảy ra bất ổn định ở cánh trên của dầm thép khi tham gia chịu nén cùng với bản bê tông. - Không phát huy hết khả năng chịu nén của thép khi bố trí thép ở cánh trên. - Liên kết đinh tán thường được sử dụng trong kết cấu dầm liên hợp thông thường có các yêu cầu khắt khe về vật liệu và kỹ thuật thi công. Từ đó có thể nhận thấy rằng với việc sử dụng dầm thép định hình chữ I chưa thực sự tối ưu về khả năng chịu lực của các thành phần tiết diện. Với mong 4 muốn cải thiện những tồn tại trên, đề tài này thực hiện nghiên cứu dầm liên hợp với tiết diện dầm thép hình dạng T ngược, phần kết nối giữa bản sàn bê tông và dầm thép hình sử dụng liên kết perfobond có thiết kế đối xứng. Ngoài ra, để cải tiến chất lượng bê tông cho phần bản sàn bên trên, bê tông cường độ cao được sử dụng cho phần bản bê tông, nhằm phân tích đánh giá các đặc tính cơ học mới của loại bê tông này. Từ đó hướng đến kết cấu dầm liên hợp có chất lượng cao hơn. Hình 1.7: Dầm liên hợp dạng chữ I và T ngược 1.3 1.3.1 Mục tiêu và giới hạn của đề tài Mục tiêu của đề tài Nhằm đánh giá các yếu tố liên quan đến cơ chế truyền lực, dạng phá hoại và khả năng chịu lực của từng dạng dầm liên hợp thép - bê tông, chương trình thực nghiệm được tiến hành trên 3 mẫu dầm liên hợp với kích thước thực. Mẫu thí nghiệm là dầm liên hợp có dầm thép dạng chữ T ngược với liên kết perfobond có hình dạng Omega đối xứng, sử dụng bê tông cường độ cao cho bản bê tông, mỗi dầm có sự khác biệt về một số yếu tố nhằm khảo sát ảnh hưởng của những yếu tố này đến khả năng làm việc của dầm. Kết quả thu được từ thực nghiệm được so sánh với nhau và so sánh với các nghiên cứu trước đây để có những đánh giá đầy đủ nhất về kết cấu đang khảo sát, nhằm hoàn thành những mục tiêu sau: 5 • Phân tích ứng xử cơ học và khả năng chịu lực của dầm liên hợp bê tông - thép tiết diện chữ T ngược khi sử dụng bê tông cường độ cao. • Phân tích, so sánh ưu nhược điểm khi sử dụng bê tông cường độ cao với bê tông thường. • Phân tích cơ chế truyền lực của liên kết kháng cắt perfobond. • Dự kiến các kết quả đạt được, từ đó đề xuất khả năng ứng dụng của loại kết cấu này trong thời gian tới. 1.3.2 Giới hạn của đề tài Dạng dầm được khảo sát trong nghiên cứu này là loại dầm liên hợp có dầm thép định hình tiết tiện chữ T và liên kết kháng cắt perfobond mở dạng Ω. Thực nghiệm giới hạn ở việc khảo sát khi thay đổi các tham số như cường độ nén bê tông, mức độ liên kết trong dầm. Để phản ánh đầy đủ và chính xác ảnh hưởng của các tham số khác cần có thêm nhiều nghiên cứu khác cho đề tài này. 1.4 Ý nghĩa của đề tài • Đánh giá ảnh hưởng của mức độ liên kết giữa bê tông và thép hình đến ứng xử của dầm liên hợp tiết diện T ngược. • Hiểu sâu hơn về ứng xử dầm liên hợp bê tông - thép dạng tiết diện T ngược sử dụng bê tông cường độ cao. • Đề xuất mô hình thiết kế dầm liên hợp tiết diện T ngược. • Góp phần đề xuất tiết diện dầm liên hợp có chất lượng cao hơn. • Bổ sung dữ liệu cần thiết cho các kỹ sư thiết kế và các nghiên cứu tiếp theo. • Đóng góp một phần để hoàn thiện trong lĩnh vực nghiên cứu kết cấu liên hợp. 6