Tổng quan luận án

Kết cấu bản mặt cầu là bộ phận chịu tác động trực tiếp, liên tục từ tải trọng bánh xe cũng như các yếu tố khắc nghiệt của môi trường tự nhiên và tác nhân hóa học (như muối chống đóng băng, môi trường biển, nước mưa). Trong các công trình cầu bê tông cốt thép truyền thống, các tác nhân này làm đẩy nhanh quá trình ăn mòn cốt thép, phá hoại lớp bê tông bảo vệ, dẫn đến suy giảm khả năng chịu lực, làm phát sinh chi phí sửa chữa định kỳ và gây gián đoạn hoạt động giao thông. Vật liệu cốt polyme sợi thủy tinh (Glass Fiber Reinforced Polymer - GFRP) với ưu điểm nổi bật là không bị ăn mòn, cường độ chịu kéo cao và trọng lượng nhẹ, được xác định là giải pháp thay thế cốt thép nhằm nâng cao độ bền và giảm chi phí bảo trì vòng đời của bản mặt cầu.

Hiện nay, các tiêu chuẩn quốc tế như Hướng dẫn thiết kế AASHTO LRFD 2018 của Mỹ và Tiêu chuẩn thiết kế cầu CAN/CSA S6 của Canada đã cho phép ứng dụng cốt thanh GFRP cho kết cấu bản mặt cầu. Tuy nhiên, AASHTO LRFD 2018 chỉ áp dụng phương pháp thiết kế chịu uốn thông thường, trong khi CAN/CSA S6 cung cấp thêm phương pháp thiết kế kinh nghiệm dựa trên hiệu ứng màng nén (Compressive Membrane Action - CMA). Các nghiên cứu và chỉ dẫn quốc tế chủ yếu thực hiện trên vật liệu FRP sản xuất theo công nghệ châu Âu, Bắc Mỹ hoặc Nhật Bản với mô đun đàn hồi quy chuẩn xấp xỉ 40 GPa. Tại Việt Nam, chưa có nghiên cứu thực nghiệm và lý thuyết toàn diện nào đối với cốt thanh GFRP sản xuất trong nước theo tiêu chuẩn TCVN 11109:2015 để làm rõ ứng xử chịu tải tập trung, quan hệ tải trọng - biến dạng, tải trọng - độ võng và cơ chế phá hoại của kết cấu bản mặt cầu. Luận án tiến sĩ kỹ thuật với đề tài "Nghiên cứu ứng dụng vật liệu cốt thanh polyme sợi thủy tinh cho kết cấu bản mặt cầu trên đường ô tô" được thực hiện nhằm giải quyết khoảng trống nghiên cứu này.

Mục đích nghiên cứu: Nghiên cứu ứng dụng cốt thanh GFRP sản xuất tại Việt Nam cho kết cấu bản mặt cầu trên đường ô tô thông qua đánh giá cơ sở lý thuyết, kiểm chứng thực nghiệm, mô phỏng số và phân tích hiệu quả kinh tế - kỹ thuật.

Đối tượng nghiên cứu: Kết cấu bản mặt cầu bê tông sử dụng cốt thanh GFRP loại có gờ sản xuất tại Việt Nam, đạt tiêu chuẩn chất lượng TCVN 11109:2015.

Phạm vi nghiên cứu:

  • Nghiên cứu ứng xử của kết cấu bản mặt cầu bê tông có cường độ chịu nén thiết kế $f'_c = 45\text{ MPa}$, sử dụng cốt thanh GFRP Việt Nam dưới tác dụng của tải trọng tập trung (thí nghiệm tĩnh trong phòng mô phỏng hoạt tải bánh xe).
  • Khảo sát mô hình phá hoại, khả năng chịu tải cực hạn, ảnh hưởng của hàm lượng cốt lớp dưới theo phương ngang cầu đến độ võng, bề rộng khe nứt, biến dạng nén của bê tông mặt trên và biến dạng kéo của thanh cốt lớp dưới.
  • Đánh giá và kiến nghị hiệu chỉnh các công thức lý thuyết dự báo sức kháng, đề xuất hướng dẫn áp dụng vào tiêu chuẩn thiết kế cầu hiện hành TCVN 11823:2017 và đánh giá chi phí vòng đời công trình.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Vật liệu composite FRP đã được phát triển từ sau Chiến tranh thế giới thứ hai, ứng dụng ban đầu trong ngành ôtô (đầu thập niên 1950), hàng không vũ trụ, hàng hải và thể thao. Từ cuối những năm 1970 và đầu thập niên 1980, nghiên cứu ứng dụng cốt thanh FRP cho kết cấu bê tông bắt đầu phát triển mạnh tại Mỹ (với các đơn vị tiên phong như Marshall-Vega Inc, International Grating Inc, dự án của Bộ Giao thông Vận tải Hoa Kỳ năm 1983), châu Âu (dự án BRITE/EURAM 1991-1996, dự án EUROCRETE xây dựng cầu đi bộ năm 1996) và Nhật Bản (với hơn 100 dự án ứng dụng từ giữa thập niên 1990, bao gồm các dự án đường đệm từ trường).

Về ứng xử uốn, nứt và biến dạng của cấu kiện bê tông cốt GFRP, tác giả điểm lại nhiều công trình nghiên cứu:

  • Benmokrane và cộng sự (1996) chỉ ra sai lệch khoảng 15% giữa lý thuyết mặt cắt nứt và thực nghiệm uốn dầm.
  • Masmoudi và cộng sự (1998) ghi nhận sai lệch lý thuyết khoảng 8%, kết luận chiều rộng vết nứt của bê tông cốt GFRP gấp 3 đến 5 lần kết cấu bê tông cốt thép (BTCT) thông thường và đề xuất công thức tính bề rộng vết nứt hiệu chỉnh từ mô hình Gergely-Lutz với hệ số $K_g = 41 \times 10^{-6}\text{ mm}^2/\text{N}$.
  • Faza và GangaRao (1992) đề xuất công thức tính bề rộng vết nứt dựa trên ứng suất dính bám lớn nhất và diện tích bê tông chịu kéo hiệu dụng, đồng thời khuyến nghị lấy cường độ kéo tính toán bằng 80% giá trị thí nghiệm để xét đến sai số chế tạo.
  • Toutanji và Saafi (2000), Pecce và cộng sự (2000), Bischoff (2005) nghiên cứu mô men quán tính hiệu dụng ($I_e$) để tính toán độ võng cấu kiện chịu uốn cốt GFRP, thay thế số mũ bậc 3 trong công thức của ACI 318 bằng số mũ biến thiên hoặc $5,4$ để phản ánh độ cứng suy giảm sau khi nứt.
  • Nghiên cứu thực tế tại hiện trường của Benmokrane và cộng sự (2006) trên cầu Morristown (Vermont, Mỹ) và Ahmed và cộng sự (2014) trên cầu Sainte Catherine (Sherbrooke, Canada) chứng minh bản mặt cầu sử dụng cốt GFRP có độ võng và biến dạng thực tế rất nhỏ dưới tải trọng xe khai thác (biến dạng cốt thanh dưới $0,19%$ giới hạn kéo đứt, độ võng nhỏ hơn giới hạn $S/1180$).
  • Nghiên cứu của Zheng và cộng sự (2009) tập trung vào mô hình thực nghiệm bản mặt cầu chịu tải trọng tập trung, làm rõ tác động của hiệu ứng vòm nén, độ cứng dầm đỡ và cường độ bê tông đến khả năng chịu lực.

Tại Việt Nam, các nghiên cứu về cốt GFRP đã được tiến hành trên kết cấu dầm:

  • Vũ Ngọc Anh và cộng sự nghiên cứu độ ăn mòn và ứng xử chịu uốn của dầm bê tông cốt thép và bê tông cốt GFRP sử dụng cát biển, nước biển sau các mốc ngâm 3, 6, 12, 18 tháng. Kết quả cho thấy cốt thép bị gỉ rõ rệt và suy giảm cường độ kéo (giảm $6,1%$ sau 6 tháng và $15,3%$ sau 12 tháng), trong khi thanh GFRP không thay đổi màu sắc và không suy giảm tính chất cơ học.
  • Đặng Vũ Hiệp và cộng sự nghiên cứu độ võng dài hạn của bản sàn bê tông cốt GFRP trong 90 ngày.
  • Cheng Por Eng khảo sát 3 dầm bê tông cường độ cao ($f'_c = 82,5\text{ MPa}$) cốt GFRP, đồng thời phân tích các phương án bố trí cốt CFRP, GFRP và kết hợp cốt thép - GFRP cho dầm chữ T, kiến nghị chiều cao dầm tối thiểu tương ứng là $L/12$, $L/15$ và $L/14$.
  • Các nghiên cứu của Nguyễn Hùng Phong, Nguyễn Minh Long, Phạm Thị Loan, Cù Thị Hồng Yến làm rõ thêm đặc điểm phát triển vết nứt và độ võng của dầm cốt GFRP.
  • Về mặt tiêu chuẩn kỹ thuật, Việt Nam đã ban hành TCVN 11109:2015 và TCVN 11110:2015 dựa trên tiêu chuẩn GOST và STO NOSTROY của Liên bang Nga; NUCETECH công bố chỉ dẫn thiết kế kết cấu bê tông thanh cốt sợi.

Khoảng trống nghiên cứu của luận án: Mặc dù đã có các nghiên cứu về dầm bê tông cốt GFRP trong nước và các nghiên cứu bản mặt cầu ở nước ngoài, việc ứng dụng cốt thanh GFRP sản xuất tại Việt Nam cho kết cấu bản mặt cầu chịu tải trọng bánh xe tập trung chưa được thực nghiệm kiểm chứng. Luận án giải quyết khoảng trống về: (1) Ứng xử chịu tải, cơ chế phá hoại chọc thủng/uốn có xét đến hiệu ứng vòm nén của bản mặt cầu cốt GFRP sản xuất trong nước; (2) Đánh giá độ chính xác của các công thức lý thuyết quốc tế và đề xuất công thức dự báo phù hợp; (3) Xác lập cơ sở thiết kế kinh tế - kỹ thuật và bổ sung vào tiêu chuẩn thiết kế cầu TCVN 11823:2017.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết và khái niệm sử dụng

  • Lý thuyết thiết kế trạng thái giới hạn: Áp dụng hệ số tải trọng và sức kháng (LRFD) theo tiêu chuẩn AASHTO LRFD Bridge Design Guide Specifications for GFRP-Reinforced Concrete (2018), ACI 440.1R-15, CAN/CSA S6 (S806-12, S6.1S1-10), JSCE (Nhật Bản), Eurocode/fib (Châu Âu) và TCVN 11823:2017.
  • Ứng xử vật liệu GFRP: Vật liệu đàn hồi tuyến tính tuyệt đối đến khi đứt gãy, không có thềm chảy dẻo; mô đun đàn hồi chịu kéo thấp ($E_f = 35 \div 51\text{ GPa}$) so với thép ($E_s = 200\text{ GPa}$); cường độ chịu kéo thiết kế $f_{fd}$ được xác định thông qua hệ số triết giảm môi trường $C_E$ ($f_{fd} = C_E \cdot f'_{fu}$).
  • Cơ chế tác động màng nén (CMA - Compressive Membrane Action) / Hiệu ứng vòm nội tại: Khi bản mặt cầu chịu tải trọng tập trung cục bộ và được kiềm chế chuyển vị ngang bởi các nhịp bản lân cận hoặc hệ dầm đỡ cứng, ứng suất nén vòm hình thành bên trong chiều dày bản, làm tăng đáng kể khả năng chịu tải thực tế so với khả năng chịu uốn thuần túy theo lý thuyết dải bản.

Phương pháp nghiên cứu

Luận án kết hợp đa phương pháp:

  1. Phương pháp nghiên cứu lý thuyết và thống kê: Phân tích các mô hình toán học tính toán chịu uốn, chịu cắt, tính toán bề rộng vết nứt, độ võng và các công thức dự báo khả năng chịu tải chọc thủng của bản mặt cầu theo AASHTO, CSA, ACI, và các tác giả quốc tế.
  2. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm:
    • Chế tạo các mẫu bản mặt cầu bê tông cốt sợi thủy tinh GFRP có gờ (sản xuất tại Công ty Cổ phần Cốt sợi Polyme Việt Nam) với bê tông cường độ $f'_c = 45\text{ MPa}$ tại Phòng Thí nghiệm Vật liệu Xây dựng - Trung tâm Khoa học Công nghệ Giao thông Vận tải (Trường Đại học Giao thông vận tải).
    • Thí nghiệm nén tĩnh tập trung thông qua tấm đệm truyền tải mô phỏng vệt bánh xe tiêu chuẩn, đặt trên hệ gối đỡ dầm thép định hình I300.
    • Đo đạc tự động biến dạng bê tông mặt trên, biến dạng thanh cốt mặt dưới, độ võng tâm bản và các vị trí đặc trưng bằng hệ thống cảm biến đo biến dạng (strain gauge) và cảm biến đo dịch chuyển (LVDT).
  3. Phương pháp mô phỏng số (PTHH - FEM): Thiết lập mô hình phần tử hữu hạn không gian 3D mô phỏng phi tuyến hình học và phi tuyến vật liệu (bê tông và cốt GFRP/cốt thép, mô hình dính bám trượt) để đối chứng và mở rộng phân tích ứng xử kết cấu.
  4. Phương pháp phân tích chi phí vòng đời (Life Cycle Cost Analysis - LCCA): Đánh giá hiệu quả kinh tế dài hạn của phương án cốt GFRP so với phương án cốt thép truyền thống tại các mốc tuổi thọ công trình (50 năm, 65 năm và 85 năm).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về vật liệu cốt thanh polyme sợi thủy tinh và các nghiên cứu ứng dụng trong kết cấu bản mặt cầu

Chương 1 hệ thống hóa toàn diện các kiến thức cơ sở về cấu tạo, phân loại, công nghệ sản xuất và tính chất cơ lý của thanh GFRP:

  • Cấu tạo và sản xuất: Thanh GFRP gồm sợi thủy tinh chịu lực chính (E-glass, S-glass, AR-glass) liên kết bởi ma trận nhựa nhiệt rắn (Epoxy, Vinyl Ester, Polyester), được chế tạo liên tục bằng phương pháp đúc kéo (pultrusion) với tốc độ trung bình $0,91\text{ m/phút}$, sau đó phủ cát hoặc quấn sợi tạo gờ để tăng cường dính bám.
  • Đặc tính cơ lý so sánh: Trọng lượng riêng của thanh GFRP nhẹ, chỉ từ $1,25 \div 2,1\text{ g/cm}^3$ (bằng $1/6 \div 1/4$ cốt thép là $7,85\text{ g/cm}^3$). Cường độ chịu kéo cao đạt $483 \div 1600\text{ MPa}$, song mô đun đàn hồi thấp ($35 \div 51\text{ GPa}$). Hệ số giãn nở nhiệt dọc trục $\alpha_L = (6,0 \div 10,0) \times 10^{-6}\text{ }^\circ\text{C}^{-1}$ tương thích với bê tông, nhưng hệ số giãn nở nhiệt ngang $\alpha_T = (21,0 \div 23,0) \times 10^{-6}\text{ }^\circ\text{C}^{-1}$ lớn hơn đáng kể.
Đặc tính cơ lý Cốt thép (AIII) Cốt thanh GFRP Cốt thanh CFRP Cốt thanh AFRP
Trọng lượng riêng ($\text{g/cm}^3$) $7,85$ $1,25 \div 2,10$ $1,50 \div 1,60$ $1,25 \div 1,40$
Giới hạn chảy ($\text{MPa}$) $276 \div 517$ Không có Không có Không có
Cường độ chịu kéo ($\text{MPa}$) $483 \div 690$ $483 \div 1600$ $600 \div 3690$ $1720 \div 2540$
Mô đun đàn hồi ($\text{GPa}$) $200$ $35 \div 51$ $120 \div 580$ $41 \div 125$
Biến dạng kéo đứt ($%$) $6,0 \div 12,0$ $1,2 \div 3,1$ $0,5 \div 1,7$ $1,9 \div 4,4$
Cường độ dính bám ($\text{MPa}$) $8 \div 11$ $12$ - -
Khả năng dẫn điện / Từ tính Có / Có Không / Không Có / Không Không / Không
  • Độ bền dài hạn và suy thoái: Cốt GFRP chịu tác động của môi trường kiềm trong bê tông, độ ẩm, tia cực tím và nhiệt độ. Luận án trích dẫn hệ số triết giảm môi trường $C_E$ theo ACI 440.1R: môi trường trong nhà $C_E = 0,75$; môi trường ngoài trời chịu tác động trực tiếp $C_E = 0,65$; môi trường xâm thực hóa chất $C_E = 0,50$. Giới hạn ứng suất đứt do từ biến/mỏi tĩnh được khống chế ở mức $f_{f,s} \le 0,20 f_{fu}$.
  • Giới hạn bề rộng vết nứt ($w_{\max}$): Tổng hợp tiêu chuẩn thiết kế quy định $w_{\max} = 0,5\text{ mm}$ (JSCE, CNR-DT 203/2006, ACI 440.1R ngoài trời, CSA S806-02) và $w_{\max} = 0,7\text{ mm}$ (ACI 440.1R trong nhà, AASHTO LRFD 2018).
+-------------------------------------------------------------------------+
| Hệ số triết giảm môi trường CE theo ACI 440.1R:                        |
| - Môi trường bên trong:                          CE = 0,75             |
| - Môi trường bên ngoài (cầu, gara hở):           CE = 0,65             |
| - Môi trường xâm thực mạnh (hóa chất, nước thải): CE = 0,50             |
+-------------------------------------------------------------------------+

Chương 2: Cơ sở lý thuyết thiết kế kết cấu bản mặt cầu bê tông cốt thanh polyme sợi thủy tinh

Chương 2 phân tích chuyên sâu các phương pháp thiết kế và cơ sở cơ học của bản mặt cầu cốt GFRP:

  • Nguyên lý thiết kế chịu uốn theo AASHTO LRFD 2018 và CSA S806: Do tính chất giòn của vật liệu GFRP, nguyên lý thiết kế ưu tiên dạng phá hoại do bê tông bị ép vỡ vùng nén ($\rho_f > \rho_{fb}$, phá hoại nén có dấu hiệu cảnh báo nứt dẻo cục bộ trước khi sụp đổ) thay vì dạng phá hoại đứt gãy giòn đột ngột của cốt thanh GFRP ($\rho_f < \rho_{fb}$).
  • Phương pháp thiết kế bản mặt cầu theo CAN/CSA S6: So sánh hai phương pháp:
    1. Phương pháp thiết kế uốn: Tính toán dải bản tương đương chịu mô men uốn cục bộ từ vệt bánh xe.
    2. Phương pháp thiết kế kinh nghiệm: Dựa trên sự hình thành hiệu ứng vòm nén (CMA). Bản mặt cầu được thiết kế với hàm lượng cốt tối thiểu cấu tạo (quy định đường kính thanh tối thiểu $16\text{ mm}$, khoảng cách thanh tối đa $300\text{ mm}$) khi thỏa mãn điều kiện kiềm chế biên bởi dầm biên và dầm ngang.
  • Đánh giá các công thức dự báo khả năng chịu tải cực hạn: Đánh giá các mô hình lý thuyết dự báo khả năng kháng uốn ($P_b$), kháng cắt một chiều, kháng chọc thủng hai chiều ($V_c$, $P_{ps}$, $P_{pf}$) và sức kháng tổng hợp do hiệu ứng vòm ($M_a$, $P_p$). Luận án chỉ ra rằng các công thức lý thuyết uốn truyền thống đánh giá thấp đáng kể tải trọng phá hoại thực tế của bản mặt cầu do bỏ qua hiệu ứng vòm nén.

Chương 3: Nghiên cứu thực nghiệm kết cấu bản mặt cầu bê tông cốt thanh polyme sợi thủy tinh

Chương 3 trình bày chương trình thực nghiệm chuyên sâu trên các mẫu bản mặt cầu:

  • Thiết kế mẫu thí nghiệm: Các mẫu bản bê tông có kích thước mô phỏng nhịp làm việc thực tế, bê tông cấp phối $f'_c = 45\text{ MPa}$ ở 28 ngày tuổi. Các nhóm mẫu bao gồm:
    • Nhóm mẫu đối chứng S1: Sử dụng cốt thép truyền thống.
    • Các nhóm mẫu G1, G2, G3: Sử dụng cốt thanh GFRP có gờ sản xuất tại Việt Nam với các tỷ lệ bố trí cốt lớp dưới theo phương ngang cầu khác nhau.
  • Thiết bị và bố trí đo: Bản được đặt trên hệ dầm thép I300 gối uốn mô phỏng dầm chủ. Thiết bị gia tải kích thủy lực truyền tải qua tấm đệm thép kích thước vệt bánh xe ($c_x \times c_y$). Bố trí các cảm biến biến dạng điện trở trên thanh cốt thép, thanh GFRP, bề mặt bê tông vùng nén và các đầu đo chuyển vị LVDT đo độ võng tim bản.
  • Kết quả thực nghiệm:
    • Mô hình phá hoại: Tất cả các mẫu bản bê tông cốt GFRP đều bị phá hoại theo cơ chế chọc thủng (punching shear failure) kết hợp hình thành nứt uốn hướng tâm ở mặt dưới và hình thành tháp chọc thủng bao quanh vệt tải, chứ không bị phá hoại uốn thuần túy.
    • Ứng xử nứt và độ võng: Sau khi xuất hiện tải trọng nứt ($P_{cr}$), độ cứng uốn của bản giảm, quan hệ tải trọng - độ võng có dạng hai đoạn tuyến tính rõ rệt. Độ võng tại cấp tải khai thác ($P_{ser}$) của các mẫu đều nằm trong giới hạn cho phép.
    • Biến dạng cốt và bê tông: Biến dạng kéo trong cốt thanh GFRP tại thời điểm phá hoại đạt giá trị lớn nhưng vẫn nằm dưới biến dạng đứt giới hạn của vật liệu; vùng bê tông đỉnh bản chịu nén lớn chứng minh sự tham gia mạnh mẽ của vòm nén bê tông.
  • Mô phỏng số bằng phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH): Thiết lập mô hình FEM 3D phi tuyến. Kết quả phân tích phân bố ứng suất, biểu đồ quan hệ tải trọng - độ võng và tải trọng - biến dạng của mô hình mô phỏng cho thấy sự tương đồng cao với kết quả đo đạc thực nghiệm, xác nhận độ tin cậy của mô hình số.

Chương 4: Phân tích thiết kế kết cấu bản mặt cầu bê tông cốt thanh polyme sợi thủy tinh

Chương 4 tập trung vào tính toán thiết kế ứng dụng, so sánh khối lượng và phân tích kinh tế kỹ thuật:

  • So sánh phương pháp thiết kế uốn và phương pháp kinh nghiệm:
    • Tính toán cho kết cấu nhịp cầu dầm điển hình (nhịp $33\text{ m}$, mặt cắt ngang cầu nhiều dầm chủ).
    • Phương pháp kinh nghiệm (áp dụng hiệu ứng vòm nén) cho phép giảm đáng kể hàm lượng cốt thanh GFRP so với phương pháp thiết kế chịu uốn tiêu chuẩn của AASHTO LRFD 2018.
  • Phân tích so sánh khối lượng và chi phí vật liệu: Khối lượng cốt GFRP sử dụng nhỏ hơn nhiều lần so với cốt thép về mặt trọng lượng do tỷ trọng nhẹ ($1,25 \div 2,1\text{ g/cm}^3$ so với $7,85\text{ g/cm}^3$).
  • Phân tích chi phí vòng đời (LCCA): Tổng hợp tính toán chi phí xây dựng ban đầu kết hợp chi phí bảo dưỡng, sửa chữa và thay thế định kỳ tại các mốc tuổi thọ giả định 50 năm, 65 năm và 85 năm:
Loại kết cấu bản mặt cầu Chi phí ban đầu Chi phí bảo trì/sửa chữa định kỳ Hiệu quả chi phí vòng đời (LCCA)
Bê tông cốt thép (BTCT) Thấp hơn Rất cao (do cốt thép bị ăn mòn, nứt vỡ bê tông bảo vệ sau thời gian khai thác) Tổng chi phí tích lũy theo thời gian tăng mạnh ở các mốc 50, 65, 85 năm
Bê tông cốt thanh GFRP Tương đương hoặc cao hơn nhẹ Rất thấp (không bị ăn mòn hóa học, không phát sinh chi phí phục hồi gỉ thép) Tiết kiệm chi phí tổng thể vượt trội khi xét vòng đời dài hạn (50 - 85 năm)
  • Đề xuất kiến nghị bổ sung tiêu chuẩn TCVN 11823:2017:
    • Đề xuất các nội dung điều chỉnh trong Phần 5 - Kết cấu bê tông (các đặc trưng tính toán của vật liệu GFRP, hệ số sức kháng $\phi$, điều kiện kiểm soát nứt và độ võng).
    • Đề xuất bổ sung chỉ dẫn thiết kế bản mặt cầu bê tông cốt GFRP theo phương pháp kinh nghiệm trong phần kết cấu bản mặt cầu.

Kết quả và những đóng góp mới

Kết quả nghiên cứu chính

  1. Xác lập bộ số liệu thực nghiệm hoàn chỉnh về ứng xử chịu tải tập trung của kết cấu bản mặt cầu bê tông ($f'_c = 45\text{ MPa}$) sử dụng cốt thanh GFRP có gờ sản xuất tại Việt Nam theo TCVN 11109:2015.
  2. Chứng minh thực nghiệm rằng dạng phá hoại chủ đạo của bản mặt cầu cốt GFRP dưới tác dụng của tải trọng tập trung là phá hoại chọc thủng (punching shear) có sự tham gia của hiệu ứng màng nén (CMA), với tải trọng phá hoại thực tế lớn hơn nhiều so với dự báo của lý thuyết uốn truyền thống.
  3. Xây dựng mô hình mô phỏng số 3D PTHH tin cậy, phản ánh chính xác phân bố ứng suất, biến dạng và độ võng của bản mặt cầu cốt GFRP.
  4. Đánh giá định lượng hiệu quả kinh tế thông qua phân tích chi phí vòng đời ở các mốc 50 năm, 65 năm và 85 năm, khẳng định tính khả thi vượt trội của phương án cốt GFRP trong môi trường xâm thực.

Những đóng góp mới của luận án

  • Về mặt khoa học: Luận án đã làm sáng tỏ cơ chế chịu lực thực tế và mô hình phá hoại của kết cấu bản mặt cầu bê tông sử dụng cốt thanh GFRP sản xuất trong nước; đề xuất công thức điều chỉnh dự báo khả năng chịu tải có xét đến hiệu ứng vòm nén, nâng cao độ chính xác so với các công thức lý thuyết hiện hành.
  • Về mặt thực tiễn:
    • Cung cấp cơ sở khoa học và dữ liệu thực nghiệm để các kỹ sư thiết kế ứng dụng cốt thanh GFRP sản xuất tại Việt Nam vào công trình cầu đường bộ.
    • Đề xuất quy trình tính toán thiết kế bản mặt cầu cốt GFRP và các nội dung kiến nghị bổ sung vào tiêu chuẩn thiết kế cầu đường bộ TCVN 11823:2017.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài

  • Nghiên cứu thực nghiệm mới thực hiện đối với một cấp cường độ bê tông ($f'_c = 45\text{ MPa}$) và một số hàm lượng cốt thanh lớp dưới nhất định trong điều kiện thí nghiệm gia tải tĩnh trong phòng thí nghiệm.
  • Chưa tiến hành thí nghiệm trên mô hình cầu toàn phần chịu tác dụng của tải trọng mỏi lặp động với số chu kỳ lớn ($10^6 \div 10^7$ chu kỳ) để đánh giá toàn diện suy thoái dính bám - mỏi trong điều kiện khai thác dài hạn.

Kiến nghị hướng nghiên cứu tiếp theo

  • Tiếp tục mở rộng nghiên cứu thực nghiệm với các cấp cường độ bê tông khác nhau, bao gồm bê tông tính năng cao (HPC) và bê tông tính năng siêu cao (UHPC) kết hợp cốt thanh GFRP.
  • Thực hiện các nghiên cứu thử tải mỏi động dài hạn mô phỏng chu kỳ tải trọng xe thực tế tác dụng lên bản mặt cầu bê tông cốt GFRP.
  • Nghiên cứu ứng xử của bản mặt cầu cốt GFRP trong điều kiện môi trường xâm thực tự nhiên ven biển và hải đảo tại các vùng khí hậu đặc thù của Việt Nam.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu kỹ thuật chuyên khảo có giá trị ứng dụng cao cho:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên: Chuyên ngành Kỹ thuật Xây dựng Công trình Giao thông, Xây dựng Công trình đặc biệt, Cầu hầm và Vật liệu Xây dựng tham khảo về phương pháp thí nghiệm mô hình bản mặt cầu, lý thuyết hiệu ứng màng nén (CMA) và kỹ thuật mô phỏng số vật liệu composite trong bê tông.
  • Kỹ sư thiết kế kết cấu công trình giao thông: Tham khảo phương pháp tính toán dải bản uốn và phương pháp kinh nghiệm khi thiết kế bản mặt cầu sử dụng cốt phi kim loại GFRP thay thế cốt thép.
  • Các cơ quan quản lý và viện nghiên cứu tiêu chuẩn: Tham khảo các đề xuất hiệu chỉnh cụ thể cho tiêu chuẩn thiết kế cầu TCVN 11823:2017 (Phần 5 và phần bản mặt cầu) phục vụ xây dựng cầu đường bộ tại các vùng ven biển, hải đảo và môi trường xâm thực cao.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao cốt thanh GFRP được đề xuất thay thế cốt thép trong kết cấu bản mặt cầu đường ô tô?

Bản mặt cầu là bộ phận chịu tác động trực tiếp của tải trọng xe, độ ẩm, hóa chất và môi trường xâm thực, khiến cốt thép truyền thống dễ bị ăn mòn rỉ sét, làm nứt vỡ lớp bê tông bảo vệ và suy giảm tuổi thọ công trình. Cốt thanh GFRP hoàn toàn không bị ăn mòn điện hóa, có cường độ chịu kéo cao ($483 \div 1600\text{ MPa}$) và trọng lượng nhẹ (bằng khoảng $1/4$ thép), giúp tăng tuổi thọ công trình và giảm chi phí sửa chữa, bảo trì vòng đời.

2. Sự khác biệt cốt lõi về tính chất cơ học giữa cốt thanh GFRP và cốt thép truyền thống là gì?

Cốt thanh GFRP có ứng xử đàn hồi tuyến tính tuyệt đối đến khi phá hoại đứt gãy giòn, không có giới hạn chảy dẻo như thép. Ngoài ra, mô đun đàn hồi của GFRP thấp hơn nhiều ($E_f = 35 \div 51\text{ GPa}$) so với cốt thép ($E_s = 200\text{ GPa}$), dẫn đến biến dạng và bề rộng vết nứt của kết cấu bê tông cốt GFRP sau khi nứt phát triển lớn hơn so với kết cấu bê tông cốt thép có cùng hàm lượng cốt.

3. Tiêu chuẩn AASHTO LRFD 2018 và CAN/CSA S6 tiếp cận thiết kế bản mặt cầu cốt GFRP khác nhau như thế nào?

AASHTO LRFD 2018 chỉ áp dụng phương pháp thiết kế chịu uốn thông thường cho bản mặt cầu cốt GFRP. Trong khi đó, tiêu chuẩn Canada CAN/CSA S6 cho phép lựa chọn giữa hai phương pháp: phương pháp thiết kế chịu uốn và phương pháp thiết kế kinh nghiệm. Phương pháp kinh nghiệm dựa trên hiệu ứng màng nén (CMA), cho phép cấu tạo hàm lượng cốt GFRP tối thiểu (đường kính $\ge 16\text{ mm}$, khoảng cách $\le 300\text{ mm}$) khi bản thỏa mãn điều kiện kiềm chế biên, giúp tiết kiệm đáng kể khối lượng vật liệu cốt.

4. Cơ chế phá hoại thực tế của bản mặt cầu bê tông cốt GFRP khi chịu tải trọng bánh xe là gì?

Kết quả thực nghiệm và mô phỏng số của luận án chỉ ra rằng bản mặt cầu cốt GFRP dưới tác dụng của tải trọng tập trung không bị phá hoại do uốn thuần túy mà bị phá hoại theo cơ chế chọc thủng (punching shear). Hiệu ứng màng nén bên trong chiều dày bản giúp kết cấu đạt tải trọng phá hoại thực tế lớn hơn nhiều so với khả năng chịu uốn tính toán theo các công thức lý thuyết mặt cắt nứt truyền thống.

5. Xét theo chi phí vòng đời (LCCA), việc sử dụng cốt thanh GFRP mang lại hiệu quả kinh tế ra sao?

Mặc dù chi phí đầu tư ban đầu của cốt thanh GFRP có thể tương đương hoặc cao hơn cốt thép thường, việc không bị ăn mòn giúp kết cấu bản mặt cầu cốt GFRP hầu như không phát sinh chi phí sửa chữa, trám vá nứt vỡ hoặc thay thế cốt thép định kỳ. Khi phân tích chi phí vòng đời ở các mốc thời gian 50 năm, 65 năm và 85 năm, phương án sử dụng cốt thanh GFRP mang lại hiệu quả tiết kiệm kinh tế tổng thể vượt trội so với bê tông cốt thép truyền thống.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Nguyễn Văn Ngôn đã nghiên cứu toàn diện việc ứng dụng cốt thanh GFRP sản xuất tại Việt Nam cho kết cấu bản mặt cầu trên đường ô tô. Thông qua kết hợp nghiên cứu lý thuyết, thực nghiệm phá hoại trên mô hình bản bê tông ($f'_c = 45\text{ MPa}$) và mô phỏng số 3D FEM, công trình đã làm sáng tỏ cơ chế phá hoại chọc thủng và hiệu ứng vòm nén hình thành trong bản mặt cầu. Kết quả nghiên cứu khẳng định tính khả thi kỹ thuật, sự phù hợp của các mô hình tính toán điều chỉnh và hiệu quả kinh tế vượt trội theo chi phí vòng đời dài hạn. Đây là tài liệu khoa học quan trọng phục vụ hoàn thiện tiêu chuẩn thiết kế cầu TCVN 11823:2017 và thúc đẩy ứng dụng vật liệu mới trong xây dựng công trình giao thông tại Việt Nam.