Đặt vấn đề nghiên cứu Giải pháp bản mặt cầu (BMC) bằng bê tông cốt thép (BTCT) dạng bản trên dầm được sử dụng phổ biến trong các công trình cầu [13]. Đây là bộ phận đóng vai trò quan trọng của kết cấu nhịp. BMC tham gia chịu lực tổng thể chịu lực cùng với dầm đỡ/sườn dầm, chịu lực cục bộ do tải trọng bánh xe, cùng với dầm ngang phân phối hoạt tải theo phương ngang cầu, và che chắn bảo vệ kết cấu bên dưới. Các dạng hư hỏng chủ yếu của bản mặt cầu thường gặp như nứt, vỡ, bong tróc bê tông, mài mòn [24].
Nứt bản mặt cầu dẫn đến nước và các chất ăn mòn thấm nhập vào bê tông, ăn mòn, gỉ cốt thép, gây bong tróc lớp bê tông, nước thấm qua khe nước xuống các dầm đỡ, gây mất mĩ quan công trình. Nếu không được khắc phục kịp thời, các vết nứt mở rộng, lan truyền, cốt thép bị gỉ, ăn mòn làm suy giảm khả năng chịu lực. Cuối cùng dẫn đến suy giảm khả năng chịu lực, giảm khả năng khai thác, suy giảm tuổi thọ, xuống cấp công trình. Do đó, chất lượng của bản mặt cầu ảnh hưởng rất lớn đến công trình cầu.
Ở Việt Nam, tình trạng xe quá tải của các phương tiện giao thông tương đối phổ biến. Nguyên nhân của sự quá tải do quá trình công nghiệp hóa diễn ra nhanh chóng mà hạ tầng giao thông chưa đáp ứng kịp, có nhiều cầu cũ chưa được sửa chữa, tăng cường, ý thức chấp hành luật lệ giao thông chưa cao, do nhu cầu vận chuyển một số loại máy móc, thiết bị đặc biệt. Do các yếu tố bất lợi về môi trường nhiệt đới nóng ẩm và điều kiện khai thác quá tải nên hiện tượng hư hỏng của bản mặt cầu bê tông ở Việt Nam xảy ra tương đối phổ biến. Chi phí cho công tác duy tu bảo dưỡng, sửa chữa bản mặt cầu nói riêng và hệ thống cầu đường nói chung khá tốn kém [18].
Về thiết kế kháng nứt mặt cầu BTCT do tải trọng, tiêu chuẩn AASHTO LRFD cũng như TCVN 11823:2017 chỉ quy định về khoảng cách cốt thép, còn 22TCN 272-05 chỉ tính duyệt giới hạn ứng suất trong cốt thép chủ theo trạng thái giới hạn sử dụng (sử dụng tổ hợp tải trọng tiêu chuẩn để tính duyệt). Các tiêu chuẩn thiết kế này không xét tới sự hình thành, lan truyền và mở rộng vết nứt theo lý thuyết cơ học phá hủy và rạn nứt bê tông. Mặt khác, trong công tác thiết kế bản mặt cầu BTCT của một số đơn vị tư vấn còn nhiều tồn tại như chưa xác định sơ đồ dải bản tương đương rõ ràng, các giả thiết đơn giản hóa bài toán trong nhiều chưa hợp chưa sát với thực tế; chưa có sự so sánh, lựa chọn về cấp bê tông, loại, chủng loại và bố trí cho cốt thép chủ một cách cụ thể. 2 Các công trình nghiên cứu ở nước ngoài đã và đang nghiên cứu về ứng xử nứt mặt cầu BTCT, cụ thể, ứng xử nứt của cầu bản BTCT [24]; giảm nứt cầu bản thông qua việc sử dụng vật liệu thay thế [82]; ứng xử nứt mặt cầu BTCT do nhiệt độ môi trường [101].
Các công trình nghiên cứu này chưa giải quyết được cơ chế nứt, sự phân bố và lan truyền nứt trong mặt cầu BTCT do xe tải nặng. Các công trình nghiên cứu ở trong nước cũng đã và đang nghiên cứu về ứng xử nứt bản BTCT do tải trọng còn rất hạn chế. Nghiên cứu của Trịnh Văn Toàn (2010) [12] nhằm phân tích, đánh giá hư hỏng của bản mặt cầu và các bộ phận kết cấu nhịp do xe tải nặng dựa trên lý thuyết mỏi. Tác giả đã đánh giá được tổn thương trong kết cấu do mỏi sau mỗi chu trình ứng suất của xe tải nặng gấp nhiều lần của xe tải nằm trong giới hạn cho phép.
Tuy nhiên, nghiên cứu chưa đánh giá cụ thể được sự hình thành và phát triển vết nứt dưới tác dụng của xe tải nặng như tải trọng gây nứt, vùng phân bố nứt. Xe quá tải tác dụng lên kết cấu nhịp sinh ra ứng suất lớn trong bản mặt cầu BTCT làm BT bị nứt. Khi bê tông bị nứt, ở vùng chịu kéo, lực kéo trong bê tông truyền cho cốt thép chịu, ứng suất trong cốt thép tăng lên, độ cứng của BMC giảm làm độ võng tăng lên, gây thấm nước và mất mĩ quan [63, 73, 96]. Rõ ràng là tình trạng này sẽ càng nghiêm trọng hơn nếu như để xảy ra tình trạng xe quá tải không được kiểm soát hiệu quả.
Bản mặt cầu đã bị nứt, lại tiếp tục phải chịu tải ở trạng thái không toàn vẹn, các vết nứt tiếp tục phát triển, lan truyền và mở rộng, dẫn đến tình trạng hư hỏng nặng hơn, giảm tuổi thọ, làm tổn thất chất lượng và khả năng khai thác công trình. Cần có các nghiên cứu chuyên sâu về ứng xử cơ học của bản mặt cầu BTCT do xe tải nặng. Việc làm rõ hơn cơ chế xuất hiện, lan truyền và mở rộng vết nứt trong bản BTCT mặt cầu do tải trọng nói chung và xe quá tải sẽ có cơ sở để hoàn thiện thêm các giải pháp kết cấu cũng như về mặt kiểm soát tải trọng xe trong thực tiễn khai thác cầu. Do đó, việc chọn đề tài nghiên cứu “ Nghiên cứu ứng xử cơ học kết cấu mặt cầu bê tông cốt thép dạng bản trên dầm chịu tác dụng tĩnh của tải trọng xe ” là rất cần thiết, có ý nghĩa khoa học và thực tiễn.
Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của đề tài là bản mặt cầu bê tông cốt thép dạng bản trên dầm của kết cấu nhịp giản đơn. Trong đó, bản mặt cầu BTCT được đổ cùng sườn dầm hoặc đổ tại chỗ liên hợp với dầm chủ. Mục tiêu nghiên cứu Xác định cơ chế xuất hiện, lan truyền, và mở rộng vết nứt cùng với ứng suất, độ võng của kết cấu mặt cầu bê tông cốt thép dạng bản trên dầm đổ tại chỗ chịu tác dụng tĩnh của tải trọng xe. Phương pháp nghiên cứu Phương pháp điều tra: để thu thập, khảo sát, đánh giá thực trạng vết nứt bản mặt cầu bê tông cốt thép đổ tại chỗ.
Phương pháp phân tích và tổng hợp lý thuyết: nghiên cứu các tài liệu liên quan nhằm lựa chọn mô hình phù hợp cho mô phỏng nứt trong bản mặt cầu bê tông cốt thép đổ tại chỗ do nguyên nhân xe ôtô quá tải. Phương pháp mô hình hoá: mô phỏng số nứt trong bản mặt cầu bê tông cốt thép đổ tại chỗ do nguyên nhân xe ôtô quá tải theo lý thuyết cơ học phá hủy. Phương pháp thực nghiệm: Xây dựng mô hình, bố trí và tiến hành thí nghiệm xác định ứng xử cơ học của kết cấu nhịp dầm T mới, kết cấu nhịp dầm T đã hư hỏng được gia cố bằng tấm FRP và bản BTCT kê trên 2 cạnh dưới tác dụng của tải trọng tĩnh. Phạm vi nghiên cứu Không xét tới tác động qua lại giữa tải trọng và các yếu tố gây nứt như co ngót, ăn mòn, nhiệt độ, mỏi .đến nứt bản mặt cầu.
Không xét tới các hư hỏng ban đầu trong bản mặt cầu. Tải trọng sử dụng trong mô phỏng số là xe tải nặng đặt tĩnh lên cầu có xét tới hệ số xung kích. Bê tông và cốt thép được giả thiết là dính bám hoàn toàn. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án Xây dựng được bộ dữ liệu các đặc trưng nứt của bê tông.
Xây dựng được mô hình tính toán có kiểm chứng bằng thực nghiệm để phân tích ứng xử nứt bản mặt cầu. Đã xây dựng được mô hình thí nghiệm phù hợp để phân tích ứng xử nứt của bản mặt cầu tương tự với thực tế từ đó thực hiện được các thí nghiệm phân tích ứng xử nứt của BMC. Đã kiến nghị mô hình dải bản tương đương khi tính theo kết cấu dạng bản dựa trên kết quả mô phỏng số. 4 Phân tích được hiệu quả gia cố tấm FRP đến hiệu quả chống nứt của bản bằng thực nghiệm.
Đánh giá được giải pháp cấu tạo bản mặt cầu BTCT đối với kết cấu nhịp dầm I đang được sử dụng phổ biến ở Việt Nam hiện nay khi chịu tải trọng xe quá tải. Khảo sát được các tham số cấu tạo của bản mặt cầu BTCT dạng bản trên dầm và đề xuất giải pháp thiết kế chống nứt. TỔNG QUAN VỀ NỨT BẢN MẶT CẦU BÊ TÔNG CỐT THÉP VÀ VẤN ĐỀ XE QUÁ TẢI Ở VIỆT NAM 1. Kết cấu mặt cầu bê tông cốt thép dạng bản trên dầm Ở Việt Nam, giải pháp kết cấu mặt cầu bê tông cốt thép dạng bản trên dầm được sử dụng phổ biến.
Thống kê chi tiết về các loại cầu đang sử dụng trên các tuyến Quốc lộ để có một cái nhìn chung về hiện trạng các loại cầu đang sử dụng [13]. Các cầu được phân chia thành 5 loại chính tùy theo vật liệu sử dụng trong kết cấu nhịp. Phân loại cầu trên Quốc lộ theo số lượng bao gồm kết cấu bê tông cốt thép (BTCT) thường (62%); BTCT dự ứng lực (BTCT DƯL) (17%); thép-bản BTCT liên hợp (13%); cầu giàn thép (5%); còn lại là các loại khác (3%). Phân loại cầu trên Quốc lộ theo chiều dài bao gồm kết cấu BTCT thường (39%); BTCT DƯL (31%); thép-bản BTCT liên hợp (20%); cầu giàn thép (7%); còn lại là các loại khác (3%).
Theo các kết quả nghiên cứu ở Mỹ, tỷ lệ phần trăm các loại cầu thông dụng khác nhau ở Mỹ như trong Hình 1. Loại kết cấu dạng bản mặt cầu trên các dầm đỡ (dạng bản trên dầm) là phổ biến nhất. Đối với loại cầu này, theo kết quả thống kê chiều dài nhịp cầu ở bang Wiscosin, Mỹ, chiều dài nhịp chiếm tỷ lệ cao nhất là 60 ft. Các cầu có chiều dài nhịp phổ biến từ 50 ft.
Khoảng cách dầm chiếm tỷ lệ cao nhất là 8 ft. Khoảng cách dầm phổ biến từ 5 ft. 1: Các loại kết cấu cầu được sử dụng tại Mỹ. 2: Tỷ lệ phần trăm nhịp của cầu nhiều dầm đỡ ở bang Wisconsin, Mỹ.
3: Tỷ lệ phần trăm khoảng cách dầm của cầu nhiều dầm đỡ ở bang Wisconsin, Mỹ. Bản mặt cầu là bộ phận tham gia chịu lực tổng thể, chịu lực cục bộ do tải trọng trục, che chắn bảo vệ kết cấu bên dưới và góp phần phân phối hoạt tải theo phương ngang cầu. Kết cấu mặt cầu bê tông cốt thép dạng bản trên dầm được sử dụng phổ biến trong kết cấu nhịp giản đơn dầm I, dầm T, dầm super T, dầm chữ . Cấu tạo bản mặt cầu phụ thuộc vào nhiều yếu tố như loại dầm đỡ, khoảng cách dầm, cường độ vật liệu, tải trọng thiết kế, tiêu chuẩn thiết kế, và các yếu tố khác.
