Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh hệ thống cầu bê tông cốt thép dự ứng lực (BTCT DƯL) nhịp giản đơn dạng chữ T và chữ Π được xây dựng từ cuối những năm 1960 đến đầu những năm 1970 tại miền Trung và miền Nam Việt Nam, nhiều công trình đã trải qua hơn 40 năm khai thác và đang trong tình trạng hư hỏng nghiêm trọng. Theo thống kê, các cầu này được thiết kế theo cấp tải trọng HS-20-44 tương đương cấp tải H18, chịu xe 3 trục với tổng tải trọng 25 tấn, tuy nhiên hiện nay lưu lượng xe và tải trọng khai thác vượt xa thiết kế, với nhiều xe có trọng tải trên 50 tấn, thậm chí lên đến 80 tấn. Hậu quả là các dầm cầu xuất hiện các vết nứt ngang tại đáy dầm do mô men uốn và vết nứt dọc tại nách dầm, gây giảm tuổi thọ và độ an toàn công trình.

Mục tiêu nghiên cứu tập trung vào việc phân tích ứng xử cơ học của dầm BTCT DƯL nhịp giản đơn để xác định nguyên nhân hình thành vết nứt dọc tại nách dầm, từ đó đề xuất giải pháp sửa chữa và gia cường hiệu quả. Phạm vi nghiên cứu bao gồm các dầm sản xuất tại nhà máy bê tông Châu Thới, sử dụng trên các tuyến quốc lộ và tỉnh lộ miền Trung và miền Nam, với dữ liệu thực nghiệm đo đạc tại các cầu điển hình như cầu Chà Là, cầu Bà Triên, cầu Nước Đục.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc bảo đảm an toàn giao thông, kéo dài tuổi thọ công trình cầu hiện hữu, đồng thời tiết kiệm nguồn vốn đầu tư xây dựng cầu mới. Việc áp dụng vật liệu sợi cường độ cao FRP trong sửa chữa gia cường được kỳ vọng sẽ nâng cao hiệu quả và tính bền vững của các công trình cầu BTCT DƯL trong điều kiện khai thác hiện nay.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết cơ bản về cơ học kết cấu bê tông cốt thép dự ứng lực, trong đó:

  • Lý thuyết ứng suất trong kết cấu BTCT DƯL: Phân tích ứng suất tiếp, ứng suất pháp do mô men uốn, lực cắt và lực nén dọc trục tại các mặt cắt ngang dầm, sử dụng các công thức tính ứng suất chính và góc nghiêng ứng suất chính để xác định vị trí và hướng phát triển vết nứt.

  • Mô hình phá hủy vật liệu bê tông và cốt thép: Xem xét quá trình co ngót, nứt do ứng suất kéo vượt giới hạn chịu kéo của bê tông, ăn mòn cốt thép, và sự suy giảm cơ tính do mỏi vật liệu.

  • Khái niệm vật liệu FRP (Fiber Reinforced Polymer): Vật liệu composite gồm sợi cacbon, sợi thủy tinh và sợi aramid, có đặc tính cơ lý vượt trội như cường độ kéo cao, mô đun đàn hồi lớn, trọng lượng nhẹ, khả năng chống ăn mòn và chống thấm tốt, được ứng dụng trong gia cường sửa chữa kết cấu BTCT.

Các khái niệm chính bao gồm: ứng suất chính, mô men uốn, lực cắt, dự ứng lực, vết nứt dọc nách dầm, vật liệu FRP, keo epoxy, và công nghệ dán tấm FRP.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu kết hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm:

  • Nguồn dữ liệu: Số liệu đo đạc thực nghiệm tại các cầu BTCT DƯL điển hình như cầu Chà Là, cầu Bà Triên, cầu Nước Đục trên Quốc lộ 1A, bao gồm biến dạng, chuyển vị, ứng suất, tần số dao động, và khảo sát hiện trạng vết nứt.

  • Phương pháp phân tích: Tính toán ứng suất tại các mặt cắt gối, L/8, L/4, L/2 của dầm dựa trên mô hình đàn hồi, xác định ứng suất chính và góc nghiêng ứng suất để giải thích nguyên nhân hình thành vết nứt. Phân tích so sánh ứng suất thực tế với giới hạn chịu kéo của bê tông.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong quá trình học tập tại Trường Đại học Giao thông Vận tải Hà Nội, với các giai đoạn khảo sát hiện trạng, đo đạc thực nghiệm, phân tích lý thuyết và đề xuất giải pháp gia cường trong năm 2016.

Phương pháp chọn mẫu tập trung vào các dầm BTCT DƯL dạng chữ T và chữ Π sản xuất tại nhà máy bê tông Châu Thới, đại diện cho các công trình cầu miền Trung và miền Nam.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Nguyên nhân hình thành vết nứt dọc tại nách dầm: Qua phân tích ứng suất chính tại các mặt cắt gối, L/8, L/4, L/2, ứng suất kéo chính tại vị trí nách dầm vượt giới hạn chịu kéo của bê tông, đặc biệt tại mặt cắt gối với ứng suất chính 1 đạt 2,20 MPa, vượt ngưỡng chịu kéo của bê tông, dẫn đến hình thành vết nứt dọc theo chiều dài dầm.

  2. Ứng suất tiếp do lực cắt biến đổi theo vị trí mặt cắt: Ứng suất tiếp lớn nhất tại mặt cắt gối là 4,22 MPa, giảm dần về phía giữa nhịp (mặt cắt L/2 chỉ còn 0,30 MPa), cho thấy lực cắt tập trung mạnh tại gối dầm, góp phần vào sự phát triển vết nứt tại nách dầm.

  3. Đo đạc thực nghiệm xác nhận ứng xử cơ học: Các cảm biến đo biến dạng và chuyển vị tại cầu Chà Là cho thấy biến dạng tại vị trí nách dầm L/8 theo hai phương vuông góc và xiên 45° có giá trị biến dạng lớn, phù hợp với mô hình ứng suất lý thuyết, chứng minh vết nứt dọc phát triển do ứng suất kéo chính gây ra.

  4. Hiệu quả của vật liệu FRP trong gia cường: Vật liệu FRP có cường độ kéo cao (ví dụ CFRP có mô đun đàn hồi lớn), trọng lượng nhẹ, thi công đơn giản, không làm tăng tải trọng và kích thước kết cấu, được đề xuất làm giải pháp sửa chữa gia cường hiệu quả cho các dầm BTCT DƯL bị nứt.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính gây hư hỏng dầm BTCT DƯL là do ứng suất kéo chính vượt giới hạn chịu kéo của bê tông tại vị trí nách dầm, kết hợp với lực cắt lớn tại gối dầm. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu trong ngành xây dựng cầu, cho thấy vết nứt dọc nách dầm là biểu hiện của ứng suất kéo chính và ứng suất tiếp do lực cắt gây ra.

So với các phương pháp gia cường truyền thống như dán bản thép hay phun bê tông, vật liệu FRP mang lại nhiều ưu điểm vượt trội về mặt cơ lý và thi công, đồng thời giảm thiểu ảnh hưởng đến lưu thông giao thông trong quá trình sửa chữa. Việc áp dụng công nghệ dán tấm FRP với keo epoxy đảm bảo liên kết bền vững giữa vật liệu mới và kết cấu cũ, ngăn chặn sự phát triển vết nứt và tăng khả năng chịu lực của dầm.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ ứng suất chính và ứng suất tiếp tại các mặt cắt điển hình, cùng bảng tổng hợp thông số kỹ thuật và kết quả đo đạc thực nghiệm, giúp minh họa rõ ràng sự biến đổi ứng suất và hiệu quả gia cường.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng công nghệ gia cường bằng vật liệu FRP: Triển khai dán tấm sợi cacbon CFRP tại vị trí nách dầm và đáy dầm để tăng cường khả năng chịu kéo và chịu cắt, giảm phát triển vết nứt. Thời gian thực hiện trong vòng 6-12 tháng, do các đơn vị thi công chuyên ngành đảm nhận.

  2. Kiểm tra và xử lý vết nứt trước khi gia cường: Thực hiện khoan lỗ, bơm keo epoxy vào các vết nứt dọc nách dầm để ngăn ngừa sự phát triển thêm của vết nứt, đảm bảo bề mặt bê tông sạch và phẳng trước khi dán tấm FRP. Thời gian xử lý khoảng 1-2 tháng.

  3. Tăng cường giám sát chất lượng thi công và vật liệu: Áp dụng quy trình kiểm tra nghiêm ngặt về chất lượng keo epoxy, tấm FRP và công nghệ dán, đảm bảo độ bám dính và cường độ liên kết đạt tiêu chuẩn ACI 440. Chủ thể thực hiện là các cơ quan quản lý xây dựng và đơn vị tư vấn giám sát.

  4. Đào tạo và nâng cao năng lực kỹ thuật cho cán bộ thi công: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về công nghệ FRP cho kỹ sư và công nhân thi công nhằm nâng cao hiệu quả và độ bền của công trình gia cường. Thời gian đào tạo định kỳ hàng năm.

  5. Lập kế hoạch bảo trì, kiểm tra định kỳ sau gia cường: Thiết lập hệ thống giám sát định kỳ về biến dạng, vết nứt và ứng suất để phát hiện sớm các dấu hiệu hư hỏng, từ đó có biện pháp xử lý kịp thời. Chủ thể là các đơn vị quản lý cầu, thực hiện hàng năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế và thi công cầu: Nghiên cứu cung cấp cơ sở lý thuyết và thực nghiệm về ứng xử cơ học của dầm BTCT DƯL, giúp lựa chọn giải pháp gia cường phù hợp, nâng cao chất lượng công trình.

  2. Cơ quan quản lý giao thông và xây dựng: Tham khảo để xây dựng chính sách duy tu, bảo dưỡng và sửa chữa cầu hiện hữu, tối ưu hóa nguồn vốn đầu tư và đảm bảo an toàn giao thông.

  3. Nhà nghiên cứu và học viên ngành kỹ thuật xây dựng cầu hầm: Tài liệu tham khảo chuyên sâu về vật liệu FRP và công nghệ gia cường kết cấu BTCT, phục vụ cho các đề tài nghiên cứu và luận văn.

  4. Đơn vị thi công và tư vấn giám sát công trình cầu: Hướng dẫn quy trình thi công, kiểm tra chất lượng và áp dụng công nghệ mới trong sửa chữa gia cường cầu BTCT DƯL, nâng cao hiệu quả và độ bền công trình.

Câu hỏi thường gặp

  1. Vật liệu FRP có ưu điểm gì so với phương pháp gia cường truyền thống?
    FRP có cường độ kéo cao, trọng lượng nhẹ, chống ăn mòn tốt, thi công nhanh gọn không làm tăng tải trọng kết cấu, đồng thời không ảnh hưởng đến mỹ quan công trình. Ví dụ, dán tấm CFRP giúp tăng khả năng chịu uốn và chịu cắt hiệu quả.

  2. Nguyên nhân chính gây ra vết nứt dọc tại nách dầm là gì?
    Vết nứt dọc nách dầm hình thành do ứng suất kéo chính vượt giới hạn chịu kéo của bê tông kết hợp với ứng suất tiếp do lực cắt, đặc biệt tại vị trí gối dầm chịu tải trọng lớn.

  3. Phương pháp đo đạc thực nghiệm được thực hiện như thế nào?
    Sử dụng cảm biến đo biến dạng và chuyển vị động SDA 830 cùng cảm biến biến dạng 5 cm để đo biến dạng tại các điểm trên dầm, đặc biệt tại vị trí nách dầm L/8 theo nhiều phương khác nhau, kết hợp với thử tải thực tế trên cầu.

  4. Có những khó khăn gì khi áp dụng công nghệ dán tấm FRP?
    Cần chuẩn bị bề mặt bê tông sạch, phẳng, loại bỏ bê tông bị phong hóa, kiểm soát chất lượng keo epoxy và kỹ thuật dán để đảm bảo liên kết bền vững. Ngoài ra, cần đào tạo kỹ thuật thi công và giám sát chặt chẽ.

  5. Giải pháp gia cường nào phù hợp cho các cầu BTCT DƯL cũ ở Việt Nam?
    Gia cường bằng vật liệu FRP được đánh giá là giải pháp tối ưu do tính hiệu quả, thi công nhanh, không làm tăng tải trọng và phù hợp với điều kiện khai thác hiện nay, giúp kéo dài tuổi thọ công trình từ 10 đến 20 năm.

Kết luận

  • Ứng suất kéo chính vượt giới hạn chịu kéo của bê tông tại nách dầm là nguyên nhân chính gây ra vết nứt dọc trên dầm BTCT DƯL dạng chữ T và chữ Π.
  • Ứng suất tiếp do lực cắt tập trung mạnh tại mặt cắt gối, góp phần làm phát triển vết nứt tại vị trí này.
  • Đo đạc thực nghiệm tại các cầu điển hình xác nhận mô hình ứng suất và nguyên nhân hình thành vết nứt.
  • Vật liệu FRP với đặc tính cơ lý ưu việt được đề xuất làm giải pháp sửa chữa gia cường hiệu quả, thi công đơn giản, không làm tăng tải trọng kết cấu.
  • Các bước tiếp theo bao gồm triển khai áp dụng công nghệ FRP trên thực tế, đào tạo kỹ thuật thi công và xây dựng quy trình bảo trì định kỳ để đảm bảo hiệu quả lâu dài.

Kêu gọi hành động: Các đơn vị quản lý và thi công cầu cần nhanh chóng áp dụng công nghệ gia cường bằng vật liệu FRP để nâng cao độ bền và an toàn cho hệ thống cầu BTCT DƯL hiện có, đồng thời đầu tư nghiên cứu tiếp tục để hoàn thiện công nghệ và quy trình thi công.