Nghiên cứu ứng xử cắt của dầm bê tông cường độ cao cốt sợi thép

Hình 3.2 Bố trí cốt thép và các vị trí đo biến dạng và độ võng khi uốn dầm BTCĐC CST 99

Hình 3.3. Đồ thị mối tương quan giữa Sức kháng cắt dầm BTCĐC CST cấp 70MPa và hàm lượng sợi ngắn (Lf/Df=63.63) 101

Hình 3.4. Sức kháng cắt dầm BTCĐC CST cấp 70MPa khi sử dụng loại sợi ngắn (65/35) và sợi dài (80/60) 102

Hình 3.5 Ván khuôn đúc dầm BTCĐC CST 105

Hình 3.6 Sơn và kẻ ô cho dầm thử nghiệm 105

Hình 3.7 Thí nghiệm uốn dầm 106

Hình 3.8 Sơ đồ bố trí thiết bị đo tải trọng và độ võng khi uốn dầm 106

Hình 3.9 Mô hình vết nứt khi uốn dầm Dầm B-0-300-6-300 108

Hình 3.10 Mô hình vết nứt khi uốn dầm Dầm B-0.63-300-6-300-SN 109

Hình 3.11. Mô hình vết nứt khi uốn dầm Dầm B-1-300-6-300-SN 109

Có thể bạn quan tâm!

Xem toàn bộ 184 trang tài liệu này.

Hình 3.12. Mô hình vết nứt khi uốn dầm Dầm B-0.63-300-6-300-SD 109

Hình 3.13 Mô hình vết nứt khi uốn dầm Dầm A-0-300-6-300 110

Hình 3.14. Mô hình vết nứt khi uốn dầm Dầm B-0.63-300-6-300-SN 110

Hình 3.15. Đồ thị quan hệ giữa tải trọng và độ võng giữa nhịp dầm H400mm 111

Hình 3.16. Đồ thị về tải trong và biến dạng trong bê tông miền nén dầm H400mm 112

Hình 3.17. Đồ thị quan hệ lực cắt và biến dạng trong cốt dọc chủ vị trí D1(dầm H400mm) 113 Hình 3.18. Đồ thị lực cắt và biến dạng trong cốt dọc chủ vị trí D2 (dầm H400mm) 113

Hình 3.19. Đồ thị quan hệ lực cắt và biến dạng trong cốt đai vị trí T1 (με) 114

Hình 3.20. Đồ thị quan hệ lực cắt và biến dạng trong cốt đai vị trí T2 (μƐ) 115

Hình 4.1. Đồ thị quan hệ tải trọng và độ mở rộng vết nứt 118

Hình 4.2. Ứng xử mềm (a) và cứng (b) khi kéo dọc trục 118

Hình 4.3 Mẫu dầm xác định cường độ chịu kéo uốn 119

Hình 4.4. Giá trị của Sx khi cốt dọc tập trung và không tập trung 123

Hình 4.5. Kích thước dầm 123

Hình 4.6. Biểu đồ bao mô men dầm BTCĐC CST tải trọng HL93 124

Hình 4.7. Phương án cốt thép cho dầm BTCĐC CST 125

Hình 4.8. Biểu đồ bao lực cắt dầm BTCĐC CST tải trọng HL93 125

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Phương trình tương thích biến dạng, các phương trình cân bằng trong mô hình và ứng suất biếng dạng MCFT cho đầm BTCT [47] 69

Bảng 2.2 Phương trình tương thích biến dạng, các phương trình cân bằng trong mô hình và ứng suất biếng dạng MCFT cho đầm BTCST [61] 77

Bảng 2.3 Kết quả tính toán số lượng mẫu trong một tổ mẫu bằng Minitab V17 88

Bảng 2.4 Số lượng và kích thước mẫu ép chẻ và mẫu nén 89

Bảng 3.1 Kết quả thí nghiệm kéo thép đai 99

Bảng 3.2 Các thông số thiết kế của các dầm thử nghiệm 100

Bảng 3.3 Kết quả tính toán sức kháng cắt dầm BT CĐC CST theo mô hình đề xuất (Sợi ngắn) 101

Bảng 3.4 So sánh ứng suất cắt trung bình trong dầm BTCĐC CST trong dầm có H=400mm và H=450mm 103

Bảng 3.5. Bảng tải trọng tính toán theo lực cắt và mô men tới hạn 104

Bảng 3.6. So sánh kết quả thử nghiệm và mô hình lý thuyết 107

Bảng 4.1 Kết quả tính toán cốt đai cho dầm BTCST khi dùng sợi dài 126

Bảng 4.2 Kết quả tính toán cốt đai cho dầm BTCST khi dùng sợi ngắn 126

DANH MỤC VIẾT TẮT, KÝ HIỆU

AASHTO : American Association of State Highway and Transportation officials (Hiệp hội Các viên chức Đường bộ và Vận tải Mỹ)

AASHO : American Association of State Highway officials (Hiệp hội Các viên chức Đường bộ Mỹ)

ACI : American Concrete Institute (Viện bê tông Mỹ) ASCE : Americal Sociaty of Civil Engineers

BTCT : Bê tông cốt thép BTCST : Bê tông cốt sợi thép BTCĐC : Bê tông cường độ cao

BTCĐC CST : Bê tông cường độ cao cốt sợi thép CMOD : Crack Mouth Opening Displacement CKD : Chất kết dính

CEB : Comité Européen du Béton (Ủy ban Bê tông Châu Âu) DIN : Deutsches Institut fỹr Normung (Viện Tiêu chuẩn Đức) Đ/C : đá/cát

FIP : Fédération Internationale de la Précontraninte (Hiệp hội Quốc tế về Dự ứng lực)

FA : Fly Ash (tro bay)

GTVT : Giao thông vận tải

HRWR : High Range Water Reducer (Phụ gia giảm nước cao) HPC : High Performance Concrete (Bê tông tính năng cao) HSC : High Strength Concrete (Bê tông cường độ cao)

JSCE : Japan Society of Civil Engineers (Hội Kỹ sư Xây dựng Nhật Bản) RILEM : International Union of Laboratories and Experts in Construction

Materials, Systems and Structures (Hiệp hội Quốc tế các phòng thí nghiệm và chuyên gia về vật liệu xây dựng, hệ thống và kết cấu)

MS : Muội silic

N/X : Nước/xi măng

N/CKD : Nước/Chất kết dính RI : Chỉ số sợi thép

PGSD : Phụ gia siêu dẻo

SFRC : Steel Fiber Reinforeced Concrete (bê tông cốt sợi thép) TCN : Tiêu chuẩn ngành

TCVN : Tiêu chuẩn Việt Nam TCXDVN : Tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam TI : Chỉ số độ dẻo BTCST

UHPC : Ultra High Performance Concrete (bê tông siêu tính năng) VLXD : Vật liệu xây dựng

WRA : Water reducing admixture (Phụ gia giảm nước) Lf/Df : Chiều dài sợi thép/đường kính sợi thép

Lf : Chiều dài sợi tiêu chuẩn

Df : Đường kính sợi

νb : Cường độ dính bám bề mặt

S : Khoảng cách sợi tiêu chuẩn

σpc : Cường độ chịu kéo sau nứt BTCST

λ1 : Hệ số ảnh hưởng do chiều dài sợi

λ2 : Hệ số ảnh hưởng do hướng của sợi

λ3 : Hệ số xét tới số sợi cắt qua một đơn vị diện tích τ : Lực dính bám giữa sợi thép và bê tông

Vf : Hàm lượng sợi

b : Bề rộng tiết diện dầm bê tông cốt sợi

h : Chiều cao tiết diện dầm bê tông cốt sợi

F : Hệ số sợi

k : Hệ số tính đổi cường độ chịu kéo gián tiếp sang trực tiếp vu : Cường độ chịu cắt trung bình của bê tông cốt sợi thép

β : Hê số xét đến khả năng truyền lực kéo và cắt của bê tông đã nứt fct : Cường độ chịu kéo của bê tông cốt sợi

fsp : Cường độ chịu ép chẻ của bê tông cốt sợi

a : Chiều dài nhịp cắt

d : Chiều cao hữu hiệu

ρ : Hàm lượng cốt dọc chủ

ρv : Hàm lượng cốt đai

νb : Ứng suất cắt do đóng góp cốt sợi thép chịu kéo

fcùf : Cường độ chịu nén của mẫu bê tông cốt sợi khối lập phương bw : Bề rộng hữu hiệu

Mu : Mô men do tải trọng tính toán gây ra

Vu : Lực cắt do tải trọng tính toán gây ra

Vcc : Sức khắng cắt của miền bê tông chịu nén Vd : Sức kháng cắt của cốt đai

Va : Sức kháng cắt do sự cài cốt liệu

Vf : Sức kháng cắt của do cốt sợi thép

As : Diện tích cốt thép dọc

Av : Diện tích cốt đai trong phạm vi bước cốt đai fy : Cường độ chịu kéo chảy của cốt dọc

fwy : Cường độ chịu kéo chảy của cốt đai (σt) evrage : Ứng suất kéo trung bình của BTCST θ : Góc nghiêng của ứng suất nén chéo

ν : Ứng suất cắt trung bình

f1 : Ứng suất kéo trung bình của bê tông trên tiết diện nghiêng f2 : Ứng suất nén trung bình của bê tông trên tiết diện nghiêng w : Bề rộng vết nứt nghiêng

f : Hệ số ma sát giữa bê tông và sợi thép

ag : Kích thước lớn nhất của cốt liệu thô

Sxe : Thông số khoảng cách vết nứt

Ɛ1 : Biến dạng do ứng suất kéo chính

Ɛ2 : Biến dạng do ứng suất nén chính

Ɛx : Biến dạng theo phương dọc trục dầm tại giữa chiều cao hữu hiệu Ɛs : Biến dạng trong cốt thép dọc chủ

νci : Ứng suất cắt trên bề mặt vết nứt của bê tông fci : Ứng suất nén trung bình trên bê mặt vết nứt

MỞ ĐẦU

1. Đặt vấn đề

Bê tông là một trong những loại vật liệu được sử dụng rộng rãi trong xây dựng công trình nói chung và công trình Giao thông nói riêng. Ngày nay do yêu cầu về quy mô và chất lượng, nhiều công trình đòi hỏi vật liệu bê tông có cường độ cao hơn. Đồng thời do khoa học phát triển, nhiều loại bê tông có tính năng cao và siêu cao đã được nghiên cứu và áp dụng. Bê tông cường độ cao (BTCĐC) - High Strength Concrete(HSC) là một trong những loại bê tông tiên tiến đã được áp dụng rất nhiều trên thế giới và ở Việt Nam. Bê tông cường độ cao có cường độ chịu nén lớn nhưng cường độ chịu kéo vẫn rất nhỏ. Ngoài việc tăng cường độ chịu nén, cường độ chịu kéo của bê tông cũng cần được cải thiện để tăng khả năng chịu lực cho các cấu kiện bê tông và bê tông cốt thép. Để tăng cường độ chịu kéo cho bê tông người ta thường sử dụng các loại cốt sợi phân tán như là một thành phần của cốt liệu trong hỗn hợp bê tông. Cốt sợi thép (CST) là một trong những loại cốt sợi được sử dụng phổ biến nhất do những lợi ích của nó mang lại. Vì vậy, bê tông cốt sợi thép (BT CST) là một trong những loại bê tông cốt sợi được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trên thế giới [6], [7], [8], [22], [26], [32], [42]. Nghiên cứu về thành phần và tính chất cơ học của BT CST đã được các nhà khoa học công bố rất nhiều trên thế giới và ở Việt Nam.

Trước đây, để tăng cường khả năng chịu cắt cho dầm bê tông cốt thép (BTCT) người ta sử dụng cốt thép đai, cốt thép xiên truyền thống. Ngoài sử dụng cốt thép dạng thanh thông thường, các loại cốt làm từ vật liệu mới cũng đã được nghiên cứu để tăng cường sức kháng cắt của dầm BTCT như: cốt đai bằng composite, cốt sợi các bon, tấm dán các bon [18], [108],..

Để tăng cường sức kháng cắt cho dầm BTCT có thể sử dụng cốt dạng thanh như cốt đai, cốt xiên hoặc cốt sợi trong đó có sợi thép. Sợi thép có tính chất hàn gắn các vi vết nứt vì nó bắc cầu qua vết nứt, ngăn chặn sự phát triển vết nứt theo nghiên cứu của Narayanan và Darwish [95], Lim và Oh [99], Swamy R. và H. Bahia [41]. Cốt sợi thép làm tăng khả năng chịu kéo của bê tông, làm tăng sức kháng cắt vì vai trò kháng ứng suất kéo chính do lực cắt và mô men gây ra. Cốt sợi thép có thể ngăn

ngừa sự nứt chéo do ứng suất kéo chủ và vết nứt do kéo. Do đó việc sử dụng cốt sợi thép trong dầm BTCT chống lại sự phá hoại do cắt và làm tăng ứng xử dẻo trong dầm [92]. Đối với BTCĐC, cốt sợi thép sẽ phát huy tốt hơn vai trò của nó do lực dính bám giữa sợi thép và BTCĐC tốt hơn. Nhiều nghiên cứu về ứng xử của dầm bê tông cốt sợi thép đã chỉ ra được vai trò của cốt sợi thép khi chịu cắt.

Theo một số nghiên cứu của các nhà sản xuất cốt sợi thép, sử dụng cốt sợi thép trong kết cấu BTCST có thể giảm được giá thành của công trình vì lý do: giảm được kích thước, thời gian thi công nhanh, độ bền lớn, khả năng chịu tác động môi trường tốt do nứt nhỏ. Chi phí thi công có thể giảm tới 30% [7], [22], [33].

Trên thế giới, đã có nhiều nghiên cứu ứng xử cắt dầm BTCST có cường độ trung bình [41], [59], [70], [76], [95]. Một số nghiên cứu về ứng xử cắt dầm bê tông cường độ cao cốt sợi thép (BTCĐC CST) và dầm bê tông cường độ siêu cao cũng đã được công bố [59], [101], [107], [115]. Đa số các nghiên cứu tập trung vào dầm không có cốt đai truyền thống để dễ dàng xem xét đóng góp của cốt sợi thép hơn. Tuy nhiên, do cốt thép đai đóng vai trò quan trọng trong dầm như: định vị cốt dọc, tạo khung cốt thép, chống xoắn tốt… Nên loại dầm bê tông có sử dụng cả cốt sợi thép và cốt đai truyền thống được quan tâm nghiên cứu. Việc nghiên cứu sâu hơn cho dầm BTCST có sử dụng cốt đai chưa được đề cập nhiều trên thế giới. Với bê tông cường độ cao, dính bám giữa cốt sợi thép và bê tông rất tốt. Ứng xử cắt của dầm BTCĐC CST cũng sẽ khác biệt với bê tông thường. Đặc biệt dầm bê tông cường độ cao sử dụng cốt sợi thép và cốt thép đai đồng thời đang là chủ đề cần nghiên cứu thêm.

Như ta đã biết, ứng xử cắt của dầm bê tông cốt thép (BTCT) luôn là vấn đề phức tạp. Sự phá hoại do cắt có nguồn gốc từ các vết nứt nghiêng do nguyên nhân không chỉ bởi lực cắt mà còn do sự kết hợp của lực cắt với mô men uốn, mô men xoắn và lực dọc trục [10]. Sự phá hoại do cắt phụ thuộc vào nhiều yếu tố như kích thước, đặc trưng hình học, tác động tải trọng và các đặc trưng cấu tạo của vật liệu kết cấu. Các vết nứt do cắt nằm nghiêng và sự phá hoại do cắt phụ thuộc vào số lượng lớn các yếu tố, vì vậy thiết kế dầm bê tông cốt thép chịu cắt không giống như thiết kế dầm chịu uốn mà phải xem xét sự đáp ứng của kết cấu trong một chiều dài nhất định hơn là xem xét tại các mặt cắt riêng lẻ.