Nghiên cứu thay thế khe co giãn trong công trình cầu nhịp giản đơn bằng bản liên tục nhiệt sử dụng vật liệu bê tông cốt sợi thép

Kết cấu cầu dầm giản đơn nhiều nhịp với bản mặt cầu bê tông cốt thép là kết cấu có rất nhiều ưu điểm nên thường được lựa chọn trong hầu hết các thiết kế công trình cầu. Tuy nhiên, giữa các nhịp dầm thường được nối tiếp với nhau bằng các khe co giãn cao su, hoặc bằng thanh ray, răng lược… Việc sử dụng các loại khe co giãn này sau một thời gian thường hay bị bong bật và phải sửa chữa nhiều lần, hoặc vấn đề kẹt khe co giãn cũng thường xuyên xảy ra. Một vấn đề đáng quan tâm khác là việc sử dụng các khe co giãn gần như không đảm bảo tính êm thuận và an toàn cho vận hành xe cộ. Đây là một trong những vấn đề quan trọng cần phải xem xét trong thiết kế cầu hiện đại.

Do đó, sử dụng bản liên tục nhiệt để giảm tối đa số lượng các khe co giãn là giải pháp hiệu quả và khắc phục gần như hoàn toàn các nhược điểm ở trên. Tuy nhiên, từ tính toán lý thuyết đến thực thực tế sử dụng cho thấy bản liên tục nhiệt chịu lực kéo uốn rất lớn do nhiều tác nhân gây ra như xoay đầu dầm do hoạt tải trên kết cấu nhịp, thay đổi nhiệt độ, các ảnh hưởng thứ cấp do co ngót, từ biến… tạo nên một hệ kết cấu làm việc khá phức tạp và khó kiểm soát. Vì vậy, nhiều công trình sau khi đưa vào sử dụng thì xuất hiện vết nứt tại bản liên tục nhiệt mặc dù đã sử dụng một lượng cốt thép gia cường gần như gấp đôi so với cốt thép thông thường của bản mặt cầu. Nguyên nhân chính là do ứng suất kéo xuất hiện trong bản nối vượt quá khả năng chịu lực của bê tông thông thường. Do đó, việc nghiên cứu ứng dụng bê tông cốt sợi trong bản liên tục nhiệt là một giải pháp rất tiềm năng bởi vì chúng có khả năng làm tăng tính dẻo dai của bê tông thường, làm chậm quá trình phát triển vết nứt và giảm đáng kể quá trình co ngót ảnh hưởng đến sự hình thành vết nứt… Những ưu điểm này đã được khẳng định trong nhiều nghiên cứu cả trong và ngoài nước.

Việc sử dụng bê tông cốt sợi cường độ cao để tăng tính dẻo dai trong bản liên tục nhiệt đã được nghiên cứu ứng dụng thực tế rất phổ biến trên thế giới, phổ biến nhất là tại Mỹ và Nhật. Loại bê tông cốt sợi thường được sử dụng với tên phổ biến là ECC (Engineered Cementenious Composite) với cốt sợi thường dùng loại PVA (Polyvinyl Alcohol Fiber). Theo nghiên cứu gần đây của Lepech, Yun cho thấy rằng bề rộng vết nứt trên bản liên tục nhiệt giảm đáng kể khi sử dụng vật liệu ECC do khả năng biến dạng của nó có thể lên đến 4%, nghĩa là tăng 400 lần so với bê tông thông thường. Tuy nhiên, cốt sợi PVA do Việt Nam chưa sản xuất được nên giá thành còn cao, chưa phù hợp với điều kiện Việt Nam. Theo báo cáo của Behbahani cho thấy bê tông cốt sợi thép (SFRC), loại vật liệu được ứng dụng rộng rãi hiện nay, cũng có thể hạn chế vết nứt một cách hiệu quả, tăng khả năng chịu kéo uốn khá lớn và giảm độ cứng của kết cấu bản liên tục nhiệt. George và Mufti cũng đã nghiên cứu ứng dụng bê tông cốt sợi thép trong bản mặt cầu để tăng khả năng chịu kéo. Vì vậy đây là vật liệu có tiềm năng rất lớn để ứng dụng trên một số cấu kiện đặc biệt trong công trình cầu tại nước ta.

Xuất phát từ thực tiễn trên, TS. Mai Lựu cùng nhóm nghiên cứu tại Trường Đại học Giao thông Vận tải TP. Hồ Chí Minh đã thực hiện “Nghiên cứu thay thế khe co giãn trong công trình cầu nhịp giản đơn bằng bản liên tục nhiệt sử dụng vật liệu bê tông cốt sợi thép” với mục tiêu: Phân tích và đưa ra những kiến nghị thiết kế bản liên tục nhiệt bằng bê tông cốt sợi thép cho công trình cầu theo TCVN 11823- 2017 và AASHTO LRFD 2014. Từ đó nghiên cứu cũng đưa ra thiết kế thay thế một số loại khe co giãn thông thường đối với khe co giãn liên tục nhiệt bị hư hỏng và làm mới bản liên tục nhiệt cho các cầu cũ sử dụng các loại khe co giãn thông thường; Nghiên cứu cấp phối bê tông cốt sợi thép phù hợp cho bản liên tục nhiệt bằng lý thuyết quy hoạch thực nghiệm; Xây dựng mô hình thí nghiệm kết cấu để kiểm tra khả năng chịu kéo uốn, cũng như liên kết giữa bê tông cốt thép thường (bản mặt cầu) và bê tông cốt sợi thép của bản liên tục nhiệt khi tương tác với kết cấu dầm; - Phân tích mô phỏng phần tử hữu hạn phi tuyến vật liệu bê tông và cốt thép đồng thời bằng mô hình phá hủy CDP, phân tích tương tác bằng phần tử tiếp xúc khu vực đầu dầm và bản liên tục nhiệt (vùng đệm bằng tấm cao su hoặc giấy dầu) trong ABAQUS cho mô hình thực nghiệm. Từ đó mô phỏng mở rộng mô hình cho phân tích kết cấu với kích thước thực tế.

Đề tài đã nghiên cứu cấp phối bê tông cốt sợi thép phù hợp cho bản liên tục nhiệt bằng phương pháp thực nghiệm và dựa trên lý thuyết quy hoạch thực nghiệm để đề xuất loại cấp phối phù hợp. Cường độ của cấp phối đề xuất theo mẫu lăng trụ (15cmx30cm) với độ tin cậy 0,95 là khoảng 52MPa, và độ sụt 20+-2cm. Kết quả này rất có ý nghĩa trong thực tế vì cường độ này không gây khó khăn trong việc chế tạo bê tông tại công trường và độ sụt lớn đảm bảo chất lượng bê tông cho cấu kiện bản liên tục nhiệt khi có mật độ thép dày.

Để tài đã phân tích và đưa ra hướng dẫn thiết kế bản liên tục nhiệt bằng bê tông cốt sợi thép cho công trình cầu dựa theo TCVN 11823- 2017 và AASHTO LRFD 2014. Cụ thể, đầu tiên đó là việc điều chỉnh nội lực của bản liên tục nhiệt từ sơ đồ dầm 2 đầu ngàm được sử dụng phổ biến trong thiết kế thực tế hiện nay bằng hệ số K khi xét tương tác lực đầu dầm lên bản liên tục nhiệt. Thay đổi quan điểm về vị trí và thớ chịu kéo bất lợi trong việc bố trí cốt thép chịu lực của BLTN đảm bảo kỹ thuật. Quan điểm bố trí cốt thép thay đổi từ bố trí 2 lưới trên và dưới giống nhau nên chuyển sang lưới trên có tổng diện tích cốt thép lớn hơn lưới dưới. Đối với việc thiết kế cốt thép dùng bê tông cốt sợi cần phải kể đến khả năng chịu kéo của bê tông sau khi bị nứt và sự gia tăng cường độ bê tông khi sử dụng cốt sợi. Điều này có thể làm giảm lượng cốt thép thanh đến 37% trong trường hợp sử dụng loại cấp phối như trong đề tài nghiên cứu

Đề tài cũng đã xây dựng mô hình thí nghiệm kết cấu để kiểm tra khả năng chịu kéo uốn, cũng như liên kết giữa bê tông cốt thép thường (bản mặt cầu) và bê tông cốt sợi thép của bản liên tục nhiệt khi tương tác với kết cấu dầm. Điều này rất có ý nghĩa trong việc đánh giá khả năng làm việc của cốt thép sợi trực tiếp trên kết cấu bản liên tục nhiệt. Hơn nữa, mô hình thực nghiệm còn dùng để đánh giá và hiệu chỉnh mô hình số, phục vụ cho việc phát triển nghiên cứu sâu hơn về tính toán thiết kế bản liên tục nhiệt bằng bê tông cốt sợi thép.

Với kết quả thu được từ mô hình số khá gần với thực nghiệm đã cho thấy việc lựa chọn mô hình ứng suất biến dạng của Barros và Sujivorakul trong mô hình CDP của Abaqus khá phù hợp trong việc dự đoán các tải trọng tới hạn theo các giai đoạn làm việc khác nhau của kết cấu. Đây là một tiền đề rất quan trọng để hỗ trợ việc xây dựng phương pháp thiết kế bản liên tục nhiệt bằng bê tông cốt sợi thép ở 2 vấn đề: nguyên tắc truyền lực từ bản mặt cầu vào bản liên tục nhiệt và ứng xử chịu uốn của vật liệu SFRC trong kết cấu thực tế.

Có thể tìm đọc toàn văn Báo cáo kết quả nghiên cứu (mã số 18880/2021) tại Cục Thông tin khoa học và công nghệ quốc gia.

Đ.T.V (NASATI)