Tài liệu Luận văn thạc sĩ đánh giá hiệu quả gia cường cầu bê tông cốt thép thường sử dụng tấm sợi thủy tinh bằng thực nghiệm và phần mềm abaqus

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CHÂU HƯỜNG ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ GIA CƯỜNG CẦU BÊ TÔNG CỐT THÉP THƯỜNG SỬ DỤNG TẤM SỢI THỦY TINH BẰNG THỰC NGHIỆM VÀ PHẦN MỀM ABAQUS LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG Đà Nẵng, Năm 2017 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CHÂU HƯỜNG ĐÁNH GIÁ NĂNG LỰC CHỊU TẢI CỦA MỘT SỐ CẦU TRÊN HỆ THỐNG GIAO THÔNG THUỘC TỈNH TRÀ VINH VÀ GIẢI PHÁP THIẾT KẾ NÂNG CẤP SỬA CHỮA Chuyên ngành : Kỹ thuật Xây dựng Công trình giao thông Mã số : 60.58.02.05 LUẬN VĂN THẠC SĨ Người hướng dẫn khoa học: TS. NGUYỄN VĂN MỸ Đà Nẵng, Năm 2017 ii LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Học viên thực hiện Châu Hường iii ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ GIA CƯỜNG CẦU BÊ TÔNG CỐT THÉP THƯỜNG SỬ DỤNG TẤM SỢI THỦY TINH BẰNG THỰC NGHIỆM VÀ PHẦN MỀM ABAQUS Học viên: Châu Hường Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông Mã số: 60.58.02.05 Khóa: K31.XGT. Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN Tóm tắt – Trên thế giới hiện nay nói chung hay ở Việt Nam nói riêng, cụ thể là trên địa bàn tỉnh Trà Vinh thì việc xây dựng mới cơ sở hạ tầng với nguồn kinh phí hạn chế là rất khó khăn. Nên việc tìm hiểu các biện pháp gia cường là rất cần thiết. Ngoài việc gia cường sức kháng của cầu bằng các phương pháp dán bản thép, cáp dự ứng lực ngoài, tăng cường mở rộng tiết diện đã được tiếp cận từ các tỉnh bạn thì việc sử dụng tấm sợi composite là còn khá mới mẻ trong công tác kỹ thuật xây dựng tại tỉnh Trà Vinh. Song song đó việc kết hợp giữa vật liệu composite với các loại chất dẻo nền có rất nhiều loại, thì ở đây tác giả tập trung nghiên cứu hiệu quả tăng cường sức kháng của cầu bê tông cốt thép thường với đối tượng cụ thể là tấm sợi thủy tinh GFRP với hai loại keo là Sikadur 330 và keo Epoxy TCK 1400. Hiệu quả của việc sử dụng tấm sợi GFRP với hai loại keo trên được tác giả đánh giá từ kết quả tính toán giữa lý thuyết, mô phỏng số bằng phần mềm Abaqus và mô hình thực nghiệm. Kết quả này sẽ góp phần bổ sung vào kho dữ liệu về các biện pháp gia cường cầu. Đây là tiền đề để có sự so sánh cũng như lựa chọn các biện pháp gia cường trong tương lai. Từ khóa – Cầu bê tông cốt thép thường, tấm sợi thủy tinh, gia cường sức kháng, Abaqus, thực nghiệm. EVALUATION ON THE EFFECTIVENESS OF STRENGTHENING BY GFRP SHEETS FOR NORMAL REINFORCED CONCRETE BRIDGE BY USING EMPIRICAL MODEL AND ABAQUS SOFTWARE Abstract - At today’s over the world generally and particularly in Vietnam, especially in Tra Vinh area, new construction of infrastructure with limited budged is really a challenge. As such, it is necessary to study for strengthening measures. Beside bridge resistence strengthening done by steel plate adhering, external prestressed cable, maximizing cross section extension that inherited from neighbor provinces, the use of composite fiber sheets is still quite new technique in construction work at Tra Vinh. In addition to that, there are various types of combination between composite materials and base resins. In this document, the writer focus his study on resistence strengthening effectiveness for normal reinforced concrete bridge and specific subject is combination between GFRP sheets and 2 types of epoxy adhesive resins Sikadur 330 and Epoxy TCK 1400. The effectiveness of this method is assessed based on theorical calculation, numerical simulation by using Abaqus software and experimental model. Such results will be added in the bridge strengthening methods database which will serve as a prerequisite for future comparision as well as selection of strengthening methods. Keywords - normal re-inforced concrete, GFRP sheets, resistence strengthening, Abaqus, experimental model. iv MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ i LỜI CAM ĐOAN ..................................................................................................... ii MỤC LỤC ................................................................................................................ iv DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ........................................................................ vi DANH MỤC BẢNG ............................................................................................... vii DANH MỤC CÁC HÌNH ..................................................................................... viii MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1 1. Tính cấp thiết của đề tài.......................................................................................... 1 2. Đối tượng nghiên cứu ............................................................................................. 2 3. Phạm vi nghiên cứu ................................................................................................ 2 4. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài ............................................................................... 2 5. Phương pháp nghiên cứu ........................................................................................ 2 Chương 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC BIỆN PHÁP GIA CƯỜNG ........................ 4 1.1. Tổng quan về cầu bê tông cốt thép thường ......................................................... 4 1.2. Một số biện pháp gia cường cầu cũ hiện nay ...................................................... 4 1.2.1. Gia cường bản thép ........................................................................................... 4 1.2.2. Gia cường bằng căng cáp dự ứng lực ngoài ..................................................... 5 1.2.2.1. Phạm vi áp dụng ............................................................................................ 5 1.2.2.2. Ưu điểm ......................................................................................................... 5 1.2.2.3. Nhược điểm ................................................................................................... 5 1.2.3 Tăng cường bằng mở rộng tiết diện .................................................................. 6 1.2.3.1. Phạm vi áp dụng ............................................................................................ 6 1.2.3.2. Ưu điểm ......................................................................................................... 6 1.2.3.3. Nhược điểm ................................................................................................... 6 1.2.4 Gia cường bằng vật liệu composite ................................................................... 6 1.2.4.1. Phạm vi áp dụng ............................................................................................ 6 1.2.4.2. Nguyên tắc cấu tạo ........................................................................................ 6 1.2.4.3. Biện pháp thi công ....................................................................................... 10 1.2.4.4. Ưu, nhược điểm ........................................................................................... 11 1.2.4.5. Ứng dụng ..................................................................................................... 12 1.3. Xu hướng áp dụng của biện pháp gia cường ..................................................... 14 1.4. Những vấn đề còn gặp phải của công tác sửa chữa, gia cường cầu .................. 14 1.5. Kết luận.............................................................................................................. 15 Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN DẦM BTCT GIA CƯỜNG GFRP ....................................................................................................................... 16 2.1. Phương pháp tính toán truyền thống ................................................................. 16 v 2.1.1. Các giả thiết .................................................................................................... 16 2.1.2. Tính toán dầm đối chứng ................................................................................ 16 2.1.3. Tính toán gia cường bằng GFRP .................................................................... 19 2.2. Phương pháp tính toán bằng phương pháp phần tử hữu hạn ............................. 23 2.2.1. Cơ sở tính toán theo phương pháp phần tử hữu hạn ...................................... 23 2.2.2. Cơ sở lý thuyết tính toán bằng phần mềm Abaqus......................................... 23 2.3. Bài toán quy đổi................................................................................................. 24 2.3.1. Cơ sở quy đổi [7] ............................................................................................ 24 2.3.2. Bài toán nghiên cứu ........................................................................................ 24 2.3.2.1. Lựa chọn dầm thí nghiệm ............................................................................ 24 2.3.2.2. Tính toán gia cường dầm thực tế ................................................................. 26 2.3.3. Sức kháng uốn, kháng cắt của dầm thực tế chưa gia cường........................... 27 2.3.4 Tính toán gia cường GFRP dầm thực tế: ......................................................... 27 2.4.Tính toán bằng phương pháp truyền thống ........................................................ 30 2.4.1. Sức kháng uốn, kháng cắt dầm đối chứng thực nghiệm................................. 30 2.4.2. Tính toán sức kháng của dầm thí nghiệm gia cường GFRP........................... 30 2.5. Tính toán bằng phần mềm Abaqus .................................................................... 34 2.5.1. Mô hình bằng phần mềm Abaqus ................................................................... 34 2.6. Kết luận: ............................................................................................................ 42 Chương 3: BÀI TOÁN THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ GIA CƯỜNG ................................................................................................................... 43 3.1. Cơ sở của bài toán thực nghiệm ........................................................................ 43 3.1.1. Quá trình chế tạo dầm thí nghiệm .................................................................. 44 3.1.2. Quá trình gia cường ........................................................................................ 49 3.1.3. Quá trình thí nghiệm ....................................................................................... 50 3.2. Kết quả thí nghiệm ............................................................................................ 51 3.2.1. Kết quả thí nghiệm quá trình nén tạo nứt ....................................................... 51 3.2.2. Kết quả thí nghiệm dầm chưa gia cường ........................................................ 52 3.2.3. Kết quả thí nghiệm dầm gia cường GFRP ..................................................... 53 3.2.4. Kết quả thí nghiệm dầm gia cường GFRP bằng keo sikadur 330 và keo TCK 1400 .......................................................................................................................... 55 3.3. Đánh giá hiệu quả gia cường sức kháng uốn, kháng cắt ................................... 56 3.4. Kết luận.............................................................................................................. 56 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................ 58 TÀI LIỆU THAM KHẢO...................................................................................... 59 PHỤ LỤC ................................................................................................................ 60 vi DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT BTCT FRP GFRP tinh) CFRP carbon) AFRP aramid) ACMA TCN PPPTHH TTGH CĐ TTGH SD : Bê tông cốt thép : Fiber Reinforced Polymer (Vật liệu Polime) : Glass Fiber Reinforced Polymer (Vật liệu Polime sợi thủy : Carbon Fiber Reinforced Polymer (Vật liệu Polime sợi : Aramid Fiber Reinforced Polymer (Vật liệu Polime sợi : American Composite Manufactures Association ( Hiệp hội các Doanh nghiệp sản xuất composite Mỹ) : Tiêu chuẩn ngành : Phương pháp phần tử hữu hạn : Trạng thái giới hạn Cường độ : Trạng thái giới hạn Sử dụng vii DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu bảng 1-1 1-2 2-1 2-2 2-3 2-4 2-5 2-6 3-1 3-2 P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 P9 P10 P11 P12 P13 P14 P15 Tên bảng So sánh đặc trưng ba loại sợi theo Meier 1994 So sánh các đặc trưng cơ học của sợi thủy tinh khác nhau với thép Thông số kĩ thuật của dầm thực tế giả định Thông số kĩ thuật của dầm thí nghiệm Tổ hợp nội lực theo TTGH CĐ Kích thước vật liệu gia cường Kết quả sức kháng lý thuyết Kết quả sức kháng theo phân tích phần mềm Momen giới hạn Lực cắt giới hạn Số liệu vẽ biểu đồ hình 2-8 Số liệu vẽ biểu đồ hình 2-9 Số liệu vẽ biểu đồ hình 2-10 Số liệu vẽ biểu đồ hình 2-27 Số liệu vẽ biểu đồ hình 2-28 Số liệu vẽ biểu đồ hình 2-29 Số liệu vẽ biểu đồ hình 3-17 Số liệu vẽ biểu đồ hình 3-18 Số liệu vẽ biểu đồ hình 3-19 Số liệu vẽ biểu đồ hình 3-20 Số liệu vẽ biểu đồ hình 3-21 Số liệu vẽ biểu đồ hình 3-22 Số liệu vẽ biểu đồ hình 3-23 Số liệu vẽ biểu đồ hình 3-24 Số liệu vẽ biểu đồ hình 3-25 Trang 8 9 24 25 26 29 32 40 56 56 60 60 61 62 62 63 63 64 64 65 66 67 68 69 70 viii DANH MỤC CÁC HÌNH Số hiệu Tên hình hình 0-1 Tính cấp thiết của việc gia cường cầu cũ 0-2 Hiện trạng cầu ở Việt Nam năm 2014 1-1 Biểu đồ thể hiện sự phân bố ứng dụng vật liệu composite ở Mỹ năm 2004 (Nguồn ACMA) 1-2 Một số dạng vật liệu GFRP10 1-3 Phát họa của Cầu Grandal (Taljsten and Carolin, 2003) 1-4 Cầu Grandal.Bên ngoài (Trái), bên trong (Phải) 1-5 Cầu Hói Rui Km867+785 –Huế được gia cố bằng vật liệu FRP 1-6 Sửa chữa và gia cường cho dầm cầu Thừa Lưu QL1A-Huế 1-7 Sửa chữa và gia cường cầu Ngòi Cát trên QL70 – Lào Cai 2-1 Mặt cắt ngang dầm chưa gia cường 2-2 Tính toán sức kháng uốn dầm đối chứng 2-3 Mô hình tính toán gia cường sức kháng uốn 2-4 Mô hình tính toán gia cường sức kháng cắt 2-5 Giao diện phần mềm Abaqus 6.13 2-6 Mặt cắt ngang dầm thực tế 2-7 Mặt cắt ngang dầm thí nghiệm 2-8 Quan hệ tải trọng-ứng suất dầm đối chứng 2-9 Quan hệ tải trọng-ứng suất dầm gia cường GFRP 2-10 Quan hệ tải trọng-độ võng theo kết quả tính toán lý thuyết 2-11 Mô hình dầm bê tông 2-12 Mô hình toàn bộ hệ thống cốt thép 2-13 Mô hình tấm GFRP 2-14 Thiết lập vật liệu cốt thép dọc 2-15 Gán mặt cắt vào cấu kiện dầm bê tông 2-16 Lắp ghép cấu kiện 2-17 Thiết lập phân tích 2-18 Thiết lập ràng buộc 2-19 Thiết lập tải trọng 2-20 Thiết lập điều kiện biên 2-21 Chia lưới dầm bê tông 2-22 Chia lưới vật liệu gia cường GFRP Trang 1 1 7 12 13 13 13 14 16 17 19 22 23 25 26 32 33 33 34 35 35 35 36 36 37 37 38 38 38 39 ix 2-23 2-24 2-25 2-26 2-27 2-28 2-29 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 3-19 3-20 3-21 3-22 3-23 3-24 3-25 Chia lưới hệ thống cốt thép Thiết lập công việc Mô hình kết quả được xuất. Phổ ứng suất trong tấm GFRP Quan hệ tải trọng-ứng suất dầm đối chứng Quan hệ tải trọng-ứng suất dầm gia cường GFRP Quan hệ tải trọng-độ võng Sơ đồ bố trí tải trọng khi uốn Sơ đồ bố trí tải trọng khi cắt Kích thước và bố trí cốt thép dầm thí nghiệm Gia công ván khuôn Lắp đặt ván khuôn cốt thép Đổ và đầm bê tông Tạo phẳng bề mặt Bảo dưỡng dầm bê tông và tạo nứt dầm bê tông Vệ sinh bề mặt bê tông dầm Trộn keo và gia cường bê tông dầm bằng sợi thủy tinh Nén bê tông dầm gia cường bằng sợi thủy tinh Sơ đồ bố trí tải trọng khi uốn Sơ đồ bố trí tải trọng khi cắt Lắp đặt đồng hồ chuyển vị, dây rung Lắp đặt loadcell, kích thủy lực Gia tải bằng kích thủy lực Quan hệ tải trọng – độ võng quá trình nén tạo nứt dầm Quan hệ tải trọng - ứng suất quá trình nén tạo nứt dầm Quan hệ tải trọng - ứng suất dầm đối chứng Quan hệ tải trọng - độ võng dầm đối chứng Quan hệ tải trọng - ứng suất dầm gia cường GFRP Quan hệ tải trọng - độ võng dầm gia cường GFRP Quan hệ tải trọng - độ võng theo kết quả thực nghiệm Quan hệ tải trọng - ứng suất dầm gia cường GFRP Quan hệ tải trọng – độ võng dầm gia cường GFRP 39 39 40 40 41 41 41 43 43 44 44 44 45 45 46 46 48 48 50 50 50 51 51 51 52 52 53 53 54 54 55 55 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Trong mục tiêu phát triển của đất nước ta đến năm 2020 trở thành một nước công nghiệp, do đó nhu cầu về xây dựng cơ sở hạ tầng là rất cần thiết nhằm phục vụ cho sự tăng trưởng nhanh chóng và nhu cầu phát triển mạng lưới giao thông vận tải. Song song với việc xây dựng mới thì việc duy trì sửa chữa các công trình cũ phải được chú trọng. Trước mắt nhà nước đã thay thế một số cầu yếu và làm thêm nhiều cầu mới nhưng cũng phải sửa chữa và tăng cường các cầu yếu hoặc những cầu chưa đáp ứng được tải trọng khai thác trong thời gian lâu dài hoặc trong một thời gian nào đó. Bên cạnh đó, 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. Hình 0-1: Tính cấp thiết của việc gia cường cầu cũ Tính đến năm 2014, theo báo cáo của Tổng cục ĐBVN, hệ thống quốc lộ nước ta hiện có tổng chiều dài trên 19 nghìn km, trong đó có hơn 4700 cây cầu do Tổng cục Đường bộ quản lý. Theo thống kê sơ bộ, toàn quốc có 1672 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. Hình 0-2: Hiện trạng cầu ở Việt Nam năm 2014 2 Nguyên nhân chủ yếu là do đa số các cây cầu được xây dựng từ lâu (trước 1954) mang quy mô nhỏ, 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. Bên cạnh đó, nhiều cây cầu BTCT cũ được xây dựng sau này cũng 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. 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, … Bên cạnh đó, việc nghiên cứu vật liệu mới có cường độ cao, trọng lượng nhẹ, thi công đơn giản,… đóng vai trò rất quan trọng. Để làm cơ sở gia cường cầu thực tế, tác giả đã chọn đề tài“ Đánh giá hiệu quả gia cường cầu bê tông cốt thép thường sử dụng tấm sợi thủy tinh bằng thực nghiệm và phần mềm Abaqus”. 2. Đối tượng nghiên cứu - Công trình cầu bê tông cốt thép thường. - Phần mềm tính toán Abaqus. 3. Phạm vi nghiên cứu - Tính toán gia cường sức kháng uốn, kháng cắt bằng tấm sợi thủy tinh. - Kiểm chứng bằng phần mềm và thực nghiệm khi gia cường sức kháng uốn, kháng cắt bằng tấm sợi thủy tinh. 4. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài - Tính toán sức kháng bằng lý thuyết tính toán. - Kiểm chứng hiệu quả gia cường bằng phần mềm Abaqus. - Kiểm chứng hiệu quả gia cường bằng mô hình thực nghiệm. - Đánh giá hiệu quả của biện pháp gia cường bằng tấm sợi thủy tinh. 5. Phương pháp nghiên cứu - Tính toán gia cường cho công trình cầu BTCT thường thực tế, sau đó quy đổi về mô hình dầm thí nghiệm tương đương thông qua độ cứng. Trên mô hình dầm thí nghiệm này, tác giả tiến hành: + 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. + Nghiên cứu trên mô hình thực nghiệm. + So sánh, đánh giá hiệu quả gia cường. 3 6. Kết cấu của đề tài Chương 1: Tổng quan về các biện pháp gia cường 1.1. Tổng quan về cầu bê tông cốt thép thường 1.2. Một số biện pháp gia cường của cầu cũ hiện nay 1.3. Xu hướng áp dụng của biện pháp gia cường 1.4. Những vấn đề còn gặp phải của công tác sửa chữa, gia cường cầu 1.5. Kết luận Chương 2: Cơ sở lý thuyết tính toán dầm BTCT gia cường GFRP 2.1. Phương pháp tính toán truyền thống 2.2. Phương pháp tính toán bằng phương pháp phần tử hữu hạn 2.3. Bài toán quy đổi 2.4. Tính toán bằng phương pháp truyền thống 2.5. Tính toán bằng phần mềm Abaqus 2.6. Kết luận Chương 3: Bài toán thực nghiệm và đánh giá hiệu quả gia cường 3.1. Cơ sở của bài toán thực nghiệm 3.2. Kết quả thí nghiệm 3.3. Đánh giá hiệu quả gia cường sức kháng uốn, sức kháng cắt 3.4. Kết luận Kết luận và kiến nghị 4 Chương 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC BIỆN PHÁP GIA CƯỜNG 1.1. Tổng quan về cầu bê tông cốt thép thường Cầu BTCT xuất hiện đầu tiên vào những năm 70 của thế kỷ XIX, sau khi xi măng được phát minh vào khoảng năm 1825, việc đặt thép vào bê tông xuất hiện lẻ tẻ vào những năm 1835-1850. Từ năm 1855 trở đi BTCT mới chính thức ra đời tại Pháp. Năm 1975 Joseph Monier đã xây dựng cầu BTCT đầu tiên dài 15,24m, rộng 3,96m. Giai đoạn cuối thế kỷ XIX cầu BTCT chủ yếu là cầu nhịp nhỏ - cầu bản, dầm, vòm. Năm 1896, người ta đã xây dựng cầu vòm nhịp 45m tại nước Nga. Giai đoạn đầu thế kỷ XX, cầu BTCT phát triển mạnh mẽ ngoài dạng đơn giản, người ta đã bắt đầu làm cầu liên tục, cầu khung, dầm công xôn nhịp 30 - 40m. [1] Quá trình phát triển cầu BTCT ở Việt Nam có thể chia thành các giai đoạn ứng với các giai đoạn của lịch sử đấu tranh giành độc lập, giữ nước và xây dựng đất nước: Thời kỳ trước cách mạng tháng 8: Vào thời kỳ này, đã có nhiều cầu thuộc hệ thống nhịp bản, dầm giản đơn, dầm hẫng, vòm BTCT thường với nhịp 2m đến 20m được xây dựng trên các tuyến đường sắt và đường bộ. Ví dụ chỉ trên tuyến đường sắt Hà Nội - Hồ Chí Minh có khoảng hơn 600 cầu BTCT nhịp 8m đến 11m xây dựng từ năm 1927-1932, đến nay vẫn còn tận dụng được sau khi gia cố sửa chữa nhiều đợt. Thời kỳ sau Cách mạng tháng 8-1945 đến năm 1954: Đây là thời kỳ kháng chiến chống Pháp nên hầu như rất ít cầu BTCT được xây dựng mới. Thời kỳ 1954 đến 1992: Trong thời kỳ này nước ta bị chia làm 2 miền và sự phát triển cũng đi theo 2 hướng khác nhau: Ở miền Bắc ngay sau 1954 nhiều cầu BTCT thường thuộc hệ bản, dầm giản đơn, dầm hẫng đúc bê tông đổ tại chỗ đã được xây dựng. Ở miền Nam ngoài sự phát triển của cầu BTCT thường thì cầu BTCT dự ứng lực bắt đầu phát triển. Thời kỳ 1992 đến nay: Đây là thời kỳ quan hệ đối ngoại được mở rộng và các công nghệ tiên tiến của thế giới được chuyển giao vào nước ta. Nên cầu BTCT được thay thế bằng cầu BTCT DƯL. 1.2. Một số biện pháp gia cường cầu cũ hiện nay 1.2.1. Gia cường bản thép 1.2.1.1. Phạm vi áp dụng 5 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 tông cốt thép tại vùng có mô men dương hoặc mô men âm. - Tăng cường khả năng chịu chống cắt của dầm bê tông cốt thép. 1.2.1.2. Ưu điểm - Giá thành rẻ, dễ thực hiện. - Thời gian ngừng lưu thông phương tiện giao thông không lâu. - Tiết kiệm được chi phí đầu tư công trình mới. 1.2.1.3. Nhược điểm - Bản thép chỉ tham gia chịu hoạt tải nên tăng được khả năng chịu lực không nhiều. - Rất khó có giải pháp để bản thép dán thêm tham gia chịu tĩnh tải. - Chỉ áp dụng cho cầu BTCT thường. 1.2.2. Gia cường bằng căng cáp dự ứng lực ngoài 1.2.2.1. Phạm vi áp dụng - Dùng để chủ động khép kín các vết nứt và nâng cấp các dầm cầu BTCT, BTCT DƯL ( Cầu Vĩnh Điện, cầu Chữ Y). - Thay thế các bó cáp cũ đặt trong bê tông bằng các bó cáp DƯL căng ngoài (Cầu Niệm). - Liên tục hóa các dầm giản đơn thành các nhịp liên tục 3 nhịp, 4 nhịp, 5 nhịp (Cầu Sài Gòn). - Các nhịp dầm BTCT thực hiện không có bản ngăn, có thể dùng DƯL căng ngoài căng theo chiều dọc để triệt tiêu các vết nứt và dùng cáp ngang để thực hiện các bản ngăn bổ sung. 1.2.2.2. Ưu điểm - Chi phí rẻ so với việc phải xây dựng lại các bộ phận chính, các thiết bị dể sử dụng và gọn nhẹ. - Sức kháng cắt và sức kháng uốn đều tăng mà không làm tăng tĩnh tải kết cấu. - Kết cấu hở nên dể kiểm tra bảo dưỡng, làm tăng độ tin cậy. - Các tao cáp có thể căng kéo hay thay đổi khi cần thiết. - Không ảnh hưởng lớn đến sự khai thác bình thường của cầu. 1.2.2.3. Nhược điểm - Việc thi công các ụ neo và ụ chuyển hướng có thể khó khăn, có thể ảnh hưởng đến cáp DƯL bê trong khi tiến hành khoan thi công ụ neo. - Cáp DƯL không có tính bền với môi trường. Chịu va đập, chịu lửa kém. - Khó khăn trong việc xác định sức kháng cắt của dầm. - Phạm vi thi công thường chật hẹp. - Tính thẩm mỹ của công trình không cao. 6 - Thi công đòi hỏi phải có sự cẩn thận chi tiết. 1.2.3 Tăng cường bằng mở rộng tiết diện 1.2.3.1. Phạm vi áp dụng - Tăng cường khả năng chịu uốn và giảm độ võng dầm BTCT. 1.2.3.2. Ưu điểm - Sửa chữa được những hư hỏng có trước trong cấu kiện mà vẫn giữ được tính toàn khối của bê tông cốt thép. - Không yêu cầu đặc biệt về vật liệu. 1.2.3.3. Nhược điểm - Ván khuôn lắp ghép cồng kềnh. - Thi công phức tạp và khó khăn. - Phải phá bỏ một phần kết cấu cũ. - Liên kết giữa bê tông cũ và mới rất khó khăn và thường không đảm bảo sự dính kết cần thiết. - Sự co ngót khác nhau giữa bê tông cũ và lớp bê tông mới. - Phát sinh thêm tĩnh tải gây bất lợi cho công trình. - Làm tăng kích thước tiết diện cấu kiện. - Thay đổi kiến trúc tổng thể của kết cấu sau khi gia cường. 1.2.4 Gia cường bằng vật liệu composite 1.2.4.1. Phạm vi áp dụng Dùng để sửa chữa sự giảm khả năng chịu lực hoặc hư hỏng của các phần tử kết cấu bằng cách dán hoặc bọc bên ngoại cấu kiện. Sử dụng trong những trường hợp tăng cường cường độ sau: - Tăng khả năng chịu cắt và chịu uốn của dầm BTCT để sửa chữa, gia cố và tăng cường khả năng chịu tải trọng động. - Tăng cường khả năng chịu uốn của sàn BTCT tại vùng có mô men dương và mô men âm. - Tăng khả năng chịu uốn và bó cột BTCT để tăng cường khả năng chịu lực và chịu tải động. 1.2.4.2. Nguyên tắc cấu tạo Mục đích của công tác thi công sửa chữa gia cố kết cấu bê tông cốt thép bằng tấm FRP là đặt tấm FRP vào vị trí cần tăng cường khả năng chịu lực với hướng sợi phù hợp với phương chịu lực để tận dụng được khả năng chịu kéo và độ bền của sợi FRP, đồng thời phải đảm bảo cho tấm FRP không bị tách lớp cũng như tách khỏi bề mặt bê tông. a. Sơ lược về vật liệu FRP và lịch sử phát triển - Vật liệu FRP - Fiber Reinforced Polymer là một dạng vật liệu Composite được chế tạo từ các vật liệu sợi, trong đó có ba loại vật liệu sợi thường được sử dụng là sợi carbon CFRP, sợi thuỷ tinh GFRP và sợi aramid AFRP. Đặc tính của các loại sợi này 7 là có cường độ chịu kéo rất cao, môđun đàn hồi rất lớn, trọng lượng nhỏ, khả năng chống mài mòn cao, cách điện, chịu nhiệt tốt, bền theo thời gian... - Các dạng FRP dùng trong xây dựng thường có các dạng như: FRP dạng tấm; FRP dạng thanh, FRP dạng cáp, FRP dạng vải, dạng cuộn... Trong sửa chữa và gia cố công trình xây dựng thường dùng các loại FRP dạng tấm và dạng vải. - Trong xây dựng, các loại vật liệu FRP thường được sử dụng nhất là của các hãng sản xuất: MBraceTB, Replark®, Sika, Tyfo®... Kết cầu BTCT là loại vật liệu có sự tiến hóa theo thời gian và rất nhạy cảm với các điều kiện môi trường. Cả bê tông lẫn thép, hai loại vật liệu cấu thành nên kết cấu BTCT, dưới tác động xâm thực mạnh của môi trường đều dễ bị suy thoái theo thời gian. Cách đây vài thế kỷ người ta đã có ý tưởng sử dụng vật liệu composite trong xây dựng. Ở các nước châu Âu và Bắc Mỹ như Canada, Mỹ đã nghiên cứu ra loại vật liệu mới nhằm tăng cường khả năng chịu lực cho công trình. Sản phẩm composite đầu tiên được biết đến là FRP có cốt sợi thủy tinh và chất nền là polyester dùng dùng để sản xuất vỏ thuyền vào năm 1930. Từ đó vật liệu FRP đã có một cuộc cách mạng toàn diện trên tất cả các ngành như không gian vũ trụ, ngành điện, giao thông... Năm 1940 Hải quân và không quân Hoa Kỳ đã sử dụng vật liệu FRP vào trong công nghiệp quốc phòng. Do có cường độ cao và trọng lượng nhẹ nên những năm 60 của thế kỷ trước, các ngành hàng không và ngành sản xuât ô tô cũng đã sử dụng loại vật liệu này. Hình 1-1: Biểu đồ thể hiện sự phân bố ứng dụng vật liệu composite ở Mỹ năm 2004 (Nguồn ACMA) 8 Từ biểu đồ (Hình 1.1) cho chúng ta thấy ứng dụng vật liệu composite vào ngành xây dựng chiếm tỷ lệ lớn là 20%. Ý tưởng về ứng dụng composite trong xây dựng xuất hiện bắt đầu từ năm 1950. Từ thời điểm này hướng phát triển chính của vật liệu FRP trong xây dựng là ứng dụng FRP để tăng cường và sửa chữa kết cấu bê tông cốt thép. Trong suốt những năm 1970 đến những năm 1980 nhiều ứng dụng của vật liệu FRP đã phổ biến ở Châu Âu, Mỹ. Năm 1986, cầu Kattenbausch ở Đức được sửa chữa bằng vật liệu FRP. b. Cấu tạo của vật liệu Composite  Cốt sợi Trong vật liệu FRP chức năng chính của cốt sợi là chịu tải trọng, cường độ, độ cứng, ổn định nhiệt. Vì vậy, cốt sợi được sử dụng để sản xuất vật liệu FRP phải đảm bảo các yêu cầu sau đây: - Mô đun đàn hồi cao. - Cường độ tới hạn cao. - Sự khác biệt về cường độ giữa các sợi với nhau là không lớn. - Cường độ ổn định cao trong vận chuyển. - Đường kính và kích thước các sợi phải đồng nhất. Vật liệu FRP được sản xuất từ các vật liệu sợi trong đó có ba loại vật liệu thường sử dụng là sợi cacbon, sợi thủy tinh và sợi aramid. Bảng 1-1: So sánh đặc trưng ba loại sợi theo Meier 1994. Loại sợi Tiêu chuẩn Cacbon Aramid Thủy tinh Cường độ chịu kéo Rất tốt Rất tốt Rất tốt Mô đun đàn hồi Rất tốt Tốt Trung bình Ứng xử dài hạn Rất tốt Tốt Trung bình Ứng xử mỏi Đặc biệt tốt Tốt Trung bình Trọng lượng Tốt Đặc biệt tốt Trung bình Sức kháng kiềm Rất tốt Tốt Không tốt Giá thành Trung bình Trung bình Rất rẻ  Chất dẻo nền Trong vật liệu FRP chất dẻo nền có vai trò là chất kết dính. Các chức năng chủ yếu của chất dẻo nền: - Truyền lực giữa các sợi riêng rẽ; - Bảo vệ bề mặt của các sợi khỏi bị mài mòn; - Bảo vệ các sợi, ngăn chặn mài mòn và các ảnh hương do môi trường; - Kết dính các sợi với nhau; - Phân bố, giữ vị trí các sợi vật liệu FRP; - Thích hợp về hóa học và nhiệt với cốt sợi. 9 Trong vật liệu FRP thì chất dẻo nền có chức năng truyền lực giữa các sợi, các cốt sợi chịu tải trọng, cường độ, độ cứng, ổn định nhiệt. Chất dẻo nền dùng để sản xuất vật liệu FRP thường sử dụng là epoxy, vinyl ester, polyester. - Polyester: Chất dẻo nền polyester có tính kinh tế nhất và được sử dụng rộng rãi. Trong những năm gần đây, gần nữa triệu tấn polyester được sử dụng mỗi năm ở Mỹ để sản xuất vật liệu composite. Ưu điểm của polyester là tính nhớt thấp, giá thành thấp, và ít độc. Nhược điểm của polyester là độ co ngót lớn. - Viny lester: Có tính dẻo và độ bền cao hơn polyester. Ưu điểm của Viny lester là có sức kháng ăn mòn tốt và cũng có tính chất hóa học và vật lý tốt như cường độ chịu kéo và chịu mỏi cao. Viny lester có giá thành cao. - Epoxy: Được sử dụng rộng rãi hơn polyester và viny lester. Những ưu điểm chính của epoxy bao gồm: + Không bay hơi và độ co ngót thấp trong suốt quá trình lưu hóa; + Sức kháng rất tốt với sự thay đổi hóa học; + Dính bám với cốt sợi rất tốt. c. Các đặc trưng cơ bản của vật liệu GFRP Vật liệu GFRP có cường độ và độ cứng phụ thuộc vào vật liệu hợp thành, đặc trưng vật liệu của GFRP phụ thuộc vào đường kính sợi, hướng phân bố các sợi và các đặc trưng cơ học của chất dẻo nền. Hiện nay sợi thủy tinh với cấu trúc nền là epoxy được sử dụng rộng rãi. Sợi thủy tinh cũng có nhược điểm riêng của từng loại. Trong khi đó sợi thủy tinh có mô đun đàn hồi cao nên được sử dụng phổ biến trong các kết cấu xây dựng. Đặc trưng cơ học của FRP phụ thuộc vào những yếu tố dưới đây: - Đặc trưng cơ học của sợi ( sử dụng sợi cacbon, sợi aramid hay sợi thủy tinh); - Đặc trưng cơ học của chất nền (sử dụng Epoxy, Vinylester hay Polyester); - Tỷ lệ giữa sợi và chất nền trong cấu trúc FRP; - Hướng phân bố của các sợi trong chất nền. Bảng 1-2: So sánh các đặc trưng cơ học của sợi thủy tinh khác nhau với thép Đặc trưng cơ học Thép GFRP Ứng suất chảy 40-75 N/A Ksi (MPa) (276-517) Cường độ chịu kéo Ksi (MPa) 70-100 (483-690) 70-230 (483-1600) Mô đun đàn hồi x10 3 ksi (MPa) Biến dạng chảy % 29 (200) 0,14-0,25 5,1-7,4 (35-51) N/A