Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ kỹ thuật với đề tài "Nghiên cứu ứng xử uốn dầm cầu dự ứng lực sử dụng bê tông chất lượng siêu cao (UHPC) trong điều kiện Việt Nam" do nghiên cứu sinh Ngô Quý Tuấn thực hiện tại Trường Đại học Xây dựng Hà Nội (năm 2024), thuộc chuyên ngành Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông – Xây dựng Cầu Hầm (Mã số: 62580205-1), dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. Nguyễn Bình Hà và TS. Lê Bá Danh.

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Bê tông chất lượng siêu cao (Ultra-High Performance Concrete - UHPC) là loại vật liệu gốc xi măng thế hệ mới, có các chỉ tiêu cơ học vượt trội so với bê tông truyền thống: cường độ chịu nén lớn hơn 120 MPa, cường độ chịu kéo khi uốn lên đến 50 MPa, cường độ chịu kéo dọc trục từ 6 đến 12 MPa, cùng mô đun đàn hồi trong khoảng 42 đến 55 GPa. Bên cạnh đó, cấu trúc vi mô đặc chắc mang lại cho UHPC độ dẻo dai cao, khả năng chống ăn mòn và độ bền lâu dài. Trên thế giới, UHPC đã được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực công trình cầu nhằm giảm kích thước tiết diện, giảm tĩnh tải kết cấu và kéo dài tuổi thọ công trình.

Tại Việt Nam, các nghiên cứu trong khoảng 10 năm qua chủ yếu tập trung vào việc nghiên cứu thành phần cấp phối và tận dụng các nguồn vật liệu địa phương để chế tạo UHPC. Mặc dù đã có một số công trình cầu quy mô nhỏ thử nghiệm sử dụng loại vật liệu này, việc ứng dụng đại trà còn gặp rào cản lớn do thiếu hệ thống tiêu chuẩn thiết kế, thi công và nghiệm thu. Đặc biệt, các nghiên cứu chuyên sâu về ứng xử uốn của dầm cầu bê tông dự ứng lực (BT DƯL) sử dụng UHPC sản xuất từ nguồn nguyên liệu trong nước còn hạn chế. Các phương pháp tính toán uốn dầm truyền thống (như ứng suất khối Whitney) vốn bỏ qua khả năng chịu kéo của bê tông không còn phù hợp với UHPC, đòi hỏi phải có mô hình quan hệ ứng suất – biến dạng và công thức tính toán sức kháng uốn thực hành phù hợp với điều kiện Việt Nam.

Mục đích và mục tiêu nghiên cứu

Mục đích của luận án là nghiên cứu khả năng chịu uốn của dầm UHPC DƯL sử dụng vật liệu sẵn có trong nước, phục vụ ứng dụng cho kết cấu nhịp cầu tại Việt Nam.

Mục tiêu nghiên cứu được xác định cụ thể theo 3 nội dung:

  1. Nghiên cứu tính chất cơ học UHPC sử dụng thành phần vật liệu và công nghệ trong nước được chế tạo và ứng dụng tại Việt Nam, đồng thời đề xuất các đường quan hệ ứng suất – biến dạng khi kéo và khi nén phục vụ thiết kế uốn.
  2. Xây dựng cơ sở khoa học tính toán sức kháng uốn dầm cầu UHPC DƯL, từ đó đề xuất phương pháp và công thức tính toán sức kháng uốn dầm cầu UHPC DƯL.
  3. Xây dựng mô hình số dầm cầu UHPC DƯL chịu uốn và so sánh với kết quả thực nghiệm, từ đó đề xuất phương pháp mô hình số phù hợp để mô phỏng ứng xử vật liệu UHPC, phục vụ khảo sát các kết cấu nhịp UHPC DƯL.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Dầm cầu UHPC DƯL chịu uốn được chế tạo từ các thành phần vật liệu sẵn có trong nước.
  • Phạm vi nghiên cứu:
    1. Các tính chất cơ học bao gồm cường độ chịu nén, cường độ chịu kéo, mô đun đàn hồi, hệ số Poisson và ứng xử kéo, nén của vật liệu UHPC được chế tạo tại Trường Đại học Xây dựng Hà Nội (NUCE-UHPC).
    2. Sức kháng uốn của dầm UHPC DƯL ở trạng thái giới hạn cường độ.
    3. Phương pháp mô hình số mô phỏng ứng xử uốn dầm đơn sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) trong không gian 3 chiều (3D).

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trên thế giới

Vật liệu UHPC hình thành từ sự kết hợp của ba công nghệ bê tông: bê tông tự đầm (SCC), bê tông cốt sợi (FRC) và bê tông chất lượng cao (HPC). Lịch sử phát triển bắt đầu từ vật liệu CRC (Compact Reinforced Composite) do Hans Hendrik Bache công bố năm 1981 tại Đan Mạch, tiếp đến là vật liệu RPC (Reactive Powder Concrete) do Richard và Cheyrezy phát triển năm 1993 tại Pháp với cường độ nén từ 200 đến 800 MPa. Năm 2009, tại hội thảo quốc tế ở Pháp, Batoz J. đã khẳng định tiềm năng của UHPC trong bảo vệ môi trường và kết cấu siêu bền.

Nghiên cứu về ứng xử uốn và thiết kế kết cấu UHPC trên thế giới được phát triển qua nhiều giai đoạn:

  • Graybeal (2006, 2008): Đánh giá đặc tính cơ học dầm UHPC DƯL cho FHWA, đề xuất các tham số thiết kế gồm cường độ chịu nén 165 MPa, cường độ chịu kéo 10,3 MPa, mô đun đàn hồi 52,4 GPa và biến dạng kéo giới hạn 0,007 (tương ứng 70% biến dạng kéo khi tuột sợi thép).
  • Gowripalan và Gilbert (2000): Xây dựng chỉ dẫn thiết kế cho dầm Ductal DƯL, đề xuất biểu đồ ứng suất – biến dạng kéo/nén dạng 3 đoạn thẳng, giới hạn biến dạng nén lớn nhất ở mức 0,0035 cho mặt cắt có cáp dính bám.
  • Almansour và Lounis (2008): Nghiên cứu phân tích ứng xử uốn dầm chữ I UHPC DƯL với biểu đồ nén hai đoạn thẳng và khảo sát ảnh hưởng khi bỏ qua hoặc kể đến cường độ chịu kéo.
  • Aaleti và các cộng sự (2013): Đề xuất mô hình ứng suất – biến dạng cho bản mặt cầu UHPC với giới hạn biến dạng nén $\varepsilon_{cu} = 0,0032$, ứng suất nén cực hạn 165 MPa, giới hạn kéo $\varepsilon_{tu} = 0,007$ và ứng suất kéo 8,27 MPa.
  • Naaman (2006): Khảo sát ảnh hưởng của các dạng biểu đồ khối ứng suất (parabol, chữ nhật, tam giác) đến mô men kháng uốn danh định $M_n$, chỉ ra rằng sức kháng uốn chịu ảnh hưởng lớn nhất từ đặc trưng kéo của vật liệu sau nứt thay vì hình dạng khối nén.
  • Hệ thống tiêu chuẩn quốc tế: Hiệp hội Kỹ sư Xây dựng Nhật Bản (JSCE 2006), Hướng dẫn K-UHPC của Hàn Quốc (2012), Tiêu chuẩn Pháp AFNOR NF P18-710 / AFGC-SETRA (2016), Tiêu chuẩn Thụy Sĩ SIA 2052, và Tiêu chuẩn cầu Canada CSA S6:19 đều xây dựng phương pháp thiết kế uốn dầm dựa trên phân tích mặt cắt nhiều lớp, cân bằng lực và tương thích biến dạng.

Các nghiên cứu tại Việt Nam

Tại Việt Nam, nghiên cứu về UHPC phát triển trong khoảng một thập kỷ gần đây:

  • Nghiên cứu vật liệu và cấp phối: Nguyễn Công Thắng và cộng sự (2014, 2017) chế tạo UHPC sử dụng tro bay, silica fume và xỉ lò cao nghiền mịn (GGBFS); Văn Viết Thiên Ân và cộng sự (2016, 2017) ứng dụng tro trấu, xỉ lò cao và nano carbon; Nguyễn Văn Tuấn và cộng sự (2014) sử dụng các loại phụ gia khoáng địa phương; Phạm Duy Hữu và cộng sự (2014) nghiên cứu bột quắc nghiền mịn kết hợp sợi thép cường độ cao.
  • Nghiên cứu ứng xử kết cấu và ứng dụng: Nguyễn Công Thắng và cộng sự (2017) khảo sát khả năng chống nứt co ngót; Cù Việt Hưng và cộng sự (2017, 2019) nghiên cứu dự báo sức kháng uốn dầm UHPC và tấm ván khuôn mặt cầu; Lê Bá Danh và cộng sự (2018) nghiên cứu thực nghiệm khả năng chịu tải trọng nổ; Trần Bá Việt và cộng sự (2017, 2019) nghiên cứu thiết kế cầu nhỏ chịu hoạt tải 0,5HL-93 và kết cấu lắp ghép trên đảo; Phạm Duy Hòa và cộng sự (2018, 2020) đề xuất các mặt cắt định hình dầm I căng trước nhịp 18,6 m, 24,5 m và 33 m, giúp giảm 20% chiều cao dầm và giảm 1,3–1,7 lần trọng lượng so với dầm BT DƯL thông thường.
Nhóm công trình ứng dụng Tên công trình tiêu biểu Năm Quy mô / Đặc điểm kết cấu
Cầu dầm trên thế giới Mars Hill (Mỹ)
Glenmore (Canada)
PS34 (Pháp)
Batu 6 (Malaysia)		 2006
2007
2005
2016		 Dầm chữ I DƯL
Dầm chữ T DƯL
Dầm hộp DƯL
Dầm chữ U DƯL nhịp giản đơn 100 m
Mối nối cấu kiện cầu State Route 31 (Mỹ)
Rainy Lake (Canada)
Pulaski Skyway (Mỹ)		 2009
2006
2016		 Mối nối bản dầm chữ T
Mối nối tấm panel đúc sẵn
Mối nối lấp đầy và khóa chống cắt
Lớp phủ mặt cầu Ma Fang (Trung Quốc)
Hai He (Trung Quốc)		 2011
2015		 Dầm hộp giản đơn
Cầu dây văng
Công trình cầu tại Việt Nam Cầu Đập Đá (Hậu Giang)
Cầu Vàng (Phú Thọ)
Cầu An Thượng (Hưng Yên)
Mặt cầu Thăng Long (Hà Nội)		 2015-2016
2016
2019
2020		 Nhịp 18 m $\times$ 2,2 m; 0,65HL-93
4 nhịp 30 m $\times$ 6,5 m; 0,65HL-93
1 nhịp 21 m $\times$ 5,0 m; 0,50HL-93
Lớp phủ mặt cầu dầm thép

Khoảng trống nghiên cứu luận án giải quyết

Mặc dù việc phân tích mặt cắt phi tuyến nhiều lớp cho kết quả chính xác, phương pháp này đòi hỏi quy trình tính lặp phức tạp, không thuận tiện cho kỹ sư thiết kế nhanh theo dạng biểu thức tường minh như Tiêu chuẩn thiết kế cầu đường bộ TCVN 11823:2017. Đồng thời, chưa có nghiên cứu nào xây dựng đường cong quan hệ ứng suất – biến dạng nén và kéo thực nghiệm riêng biệt cho UHPC chế tạo từ vật liệu Việt Nam, cũng như chưa thiết lập được hệ số hình khối ứng suất chữ nhật tương đương cho cả vùng nén và vùng kéo để tính toán nhanh sức kháng uốn dầm DƯL tiết diện chữ I và chữ T.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết và khái niệm sử dụng

  1. Nguyên lý phân tích mặt cắt (Section Analysis): Dựa trên giả thiết Bernoulli (mặt cắt ngang phẳng trước khi uốn vẫn duy trì phẳng sau khi biến dạng). Sự phân bố biến dạng trên chiều cao tiết diện là tuyến tính. Ứng suất tại từng thớ được xác định qua hàm quan hệ ứng suất – biến dạng của vật liệu.
  2. Nguyên lý cân bằng lực và mô men: Xác định vị trí trục trung hòa $d_n$ và mô men kháng uốn $M$ từ điều kiện tổng lực dọc triệt tiêu và tổng mô men đối với trục trung hòa: $$\int_{A_c} f_c , dA_c + \int_{A_{ps}} f_{ps} , dA_{ps} = 0$$ $$M = \int_{A_c} f_c y , dA_c + \int_{A_{ps}} f_{ps} y_{ps} , dA_{ps}$$
  3. Mô hình khối ứng suất chữ nhật tương đương: Chuyển đổi biểu đồ phân bố ứng suất thực tế phức tạp sang dạng khối chữ nhật đơn giản thông qua các hệ số quy đổi:
    • $\alpha_1$: Hệ số cường độ nén tương đương của bê tông vùng nén.
    • $\beta_1$: Hệ số chiều cao khối ứng suất nén tương đương.
    • $\beta_2$: Hệ số chiều cao khối ứng suất kéo tương đương của UHPC sau nứt.
  4. Mô hình cơ học vật liệu phi tuyến trong PTHH: Sử dụng tiêu chuẩn phá hoại Drucker – Prager kết hợp với tiêu chuẩn Rankine trong không gian ứng suất 3 chiều; áp dụng các mô hình hóa cứng, hóa mềm và độ nở thể tích (HSD: Hardening, Softening and Dilatation).

Phương pháp nghiên cứu thực tế

Luận án kết hợp bốn phương pháp nghiên cứu:

  • Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm: Thực hiện thí nghiệm nén mẫu hình trụ ($\phi 100 \times 200$ mm hoặc $\phi 150 \times 300$ mm) để xác định cường độ nén $f_c'$, mô đun đàn hồi $E_c$, hệ số Poisson; thí nghiệm uốn 4 điểm xác định cường độ chịu kéo khi xuất hiện vết nứt đầu tiên (kéo đàn hồi); thí nghiệm uốn 3 điểm trên mẫu lăng trụ có xẻ rãnh để ghi nhận quan hệ tải trọng – độ võng, quan hệ ứng suất – độ mở rộng miệng vết nứt (CMOD), từ đó xác định cường độ chịu kéo sau nứt $f_t$. Thí nghiệm gia tải uốn trên dầm UHPC DƯL mặt cắt chữ I và chữ T.
  • Phương pháp giải tích và xử lý số liệu: Xử lý dữ liệu thực nghiệm để lập biểu đồ $\sigma - \varepsilon$ kéo và nén; sử dụng giải thuật tích phân phân lớp mặt cắt để tính toán đường cong mô men – độ cong ($M - \phi$); xây dựng hệ phương trình cân bằng giải tích xác định công thức nghiệm tường minh cho $d_n$ và $M_n$.
  • Phương pháp mô hình số PTHH 3D:
    • Mô phỏng vật liệu UHPC bằng phần tử khối đặc 8 nút SOLID185.
    • Mô phỏng cốt thép dự ứng lực bằng phần tử thanh chịu lực dọc LINK180.
    • Mô phỏng ứng xử dính bám – trượt giữa cáp DƯL và UHPC bằng phần tử liên kết phi tuyến COMBIN39 với quan hệ lực – chuyển vị trượt.
    • Mô phỏng lực căng dự ứng lực bằng phương pháp giảm nhiệt độ hoặc gán biến dạng ban đầu.

Nguồn vật liệu và tư liệu nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng dòng vật liệu NUCE-UHPC được nghiên cứu, chế tạo tại Phòng thí nghiệm Bộ môn Vật liệu Xây dựng, Trường Đại học Xây dựng Hà Nội với thành phần gồm: xi măng Poóc lăng PC40/PC50, cát thạch anh (cát quắc) nghiền mịn, xỉ lò cao hạt hóa nghiền mịn (GGBFS), silica fume (SF), phụ gia siêu dẻo gốc Polycarboxylate Ether (PCE), cốt sợi thép cường độ cao phân tán (chiều dài $L_f = 13$ mm, đường kính $d_f = 0,2$ mm, tỷ lệ thể tích 2%) và nước với tỷ lệ N/CKD thấp ($0,15 - 0,20$).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về tình hình nghiên cứu và ứng dụng vật liệu bê tông chất lượng siêu cao cho kết cấu nhịp cầu

Chương 1 tổng hợp có hệ thống cơ sở lý thuyết, công nghệ chế tạo và lịch sử phát triển của UHPC trên phạm vi thế giới và tại Việt Nam. Tác giả phân tích các nguyên tắc cốt lõi giúp UHPC đạt tính năng vượt trội: giảm tối đa tỷ lệ N/CKD ($0,15 - 0,25$), tối ưu hóa độ đặc chắc bằng cốt liệu hạt mịn, loại bỏ cốt liệu thô để tăng tính đồng nhất, bổ sung sợi thép cường độ cao nhằm khống chế sự phát triển vết nứt vi mô và vĩ mô, cùng chế độ bảo dưỡng nhiệt ẩm.

Chương này phân tích chi tiết các hướng tiếp cận xác định sức kháng uốn trong các tiêu chuẩn thiết kế quốc tế (JSCE - Nhật Bản, K-UHPC - Hàn Quốc, FHWA - Hoa Kỳ, AFNOR NF P18-710 - Pháp, Ductal). Tác giả chỉ ra rằng điểm khác biệt lớn nhất giữa UHPC và bê tông thường là sự đóng góp của khả năng chịu kéo sau nứt của UHPC. Hầu hết các tiêu chuẩn quốc tế áp dụng giới hạn biến dạng kéo $\varepsilon_{tu} = 0,007$ (tương ứng 70% giá trị biến dạng kéo tuột sợi) và biến dạng nén cực hạn $\varepsilon_{cu} = 0,0032 - 0,0035$. Từ việc tổng kết 25 công trình cầu và mối nối ứng dụng UHPC tại Việt Nam từ năm 2015 đến 2020, chương 1 xác định khoảng trống nghiên cứu và thiết lập mục tiêu, nội dung cho các chương tiếp theo của đề tài.

Chương 2: Cơ sở khoa học và phương pháp nghiên cứu

Chương 2 thiết lập cơ sở lý thuyết để xây dựng quan hệ ứng suất – biến dạng $(\sigma - \varepsilon)$ kéo/nén và phương pháp phân tích mặt cắt ngang dầm UHPC DƯL. Đối với ứng xử nén, tác giả kế thừa mô hình nén phi tuyến dạng parabol kết hợp tuyến tính; đối với ứng xử kéo, xây dựng mô hình hai đoạn thẳng gồm giai đoạn đàn hồi trước nứt và giai đoạn tăng bền hoặc suy giảm sau nứt dựa trên thông số độ mở rộng vết nứt CMOD.

Trên cơ sở phương pháp phân tích mặt cắt nhiều lớp, chương 2 thiết lập nguyên lý tương đương về diện tích và trọng tâm của biểu đồ ứng suất thực tế để chuyển đổi sang mô hình khối ứng suất chữ nhật tương đương với ba hệ số $\alpha_1, \beta_1, \beta_2$. Đồng thời, chương này xây dựng cơ sở toán học cho mô hình số PTHH 3D trên phần mềm ANSYS: thiết lập ma trận độ cứng cho phần tử SOLID185, LINK180, COMBIN39; ứng dụng tiêu chuẩn Drucker – Prager mở rộng và Rankine để mô tả trạng thái phá hoại nén vỡ và nứt kéo của UHPC dưới ứng suất nhiều trục.

Chương 3: Xây dựng đường quan hệ ứng suất – biến dạng và đề xuất công thức tính toán sức kháng uốn dầm cầu UHPC DƯL

Chương 3 xử lý dữ liệu thí nghiệm cơ học của vật liệu NUCE-UHPC để xác lập các tham số đường cong $\sigma - \varepsilon$ phục vụ thiết kế:

  • Mô hình ứng suất – biến dạng nén: Giai đoạn đàn hồi tuyến tính kéo dài đến $0,85 f_c'$, sau đó chuyển tiếp phi tuyến đạt đỉnh tại cường độ nén cực hạn $f_c'$ ở biến dạng $\varepsilon_{co}$, duy trì đoạn biến dạng dẻo đến biến dạng nén giới hạn $\varepsilon_{cu}$.
  • Mô hình ứng suất – biến dạng kéo: Trước nứt có dạng đàn hồi với mô đun $E_c$ đến cường độ kéo nứt $f_{ctm}$; sau nứt duy trì ứng suất kéo hữu hiệu $f_t$ đến biến dạng giới hạn kéo $\varepsilon_{tu} = 0,007$.

Từ biểu đồ $\sigma - \varepsilon$ thiết lập, tác giả thực hiện phân tích số hàng loạt tiết diện dầm chữ I và chữ T DƯL bằng phương pháp phân tích mặt cắt phân lớp, thiết lập mối quan hệ giữa các hệ số hình khối ứng suất $(\alpha_1, \beta_1, \beta_2)$ theo cấp cường độ nén $f_c'$. Từ đó, tác giả dẫn xuất công thức giải tích tính toán vị trí trục trung hòa $d_n$ và sức kháng uốn danh định $M_n$ cho tiết diện dầm chữ T tổng quát:

$$M_n = A_{ps} f_{ps} \left(d_p - \frac{\beta_1 d_n}{2}\right) + f_t (b_b - b_w) h_b \left(h - \frac{\beta_1 d_n}{2} - \frac{h_b}{2}\right) + f_t \beta_2 (h - d_n) b_w \left(h - \frac{\beta_1 d_n}{2} - \frac{\beta_2(h - d_n)}{2}\right) + \alpha_1 f_c' (b - b_w) h_f \left(\frac{\beta_1 d_n}{2} - \frac{h_f}{2}\right)$$

Trong đó: $A_{ps}, f_{ps}, d_p$ là diện tích, ứng suất và chiều cao làm việc của cáp DƯL; $b, b_w, b_b$ là bề rộng bản cánh trên, sườn dầm và bầu dầm dưới; $h, h_f, h_b$ là chiều cao toàn bộ dầm, chiều dày bản cánh trên và bầu dầm dưới; $f_c'$ là cường độ chịu nén danh định; $f_t$ là cường độ chịu kéo sau nứt tính toán của UHPC.

Chương 4: Mô hình số kết cấu UHPC bằng phương pháp phần tử hữu hạn

Chương 4 thực hiện mô phỏng số kiểm chứng cho các cấp độ kết cấu:

  1. Mô phỏng mẫu thí nghiệm vật liệu: Mô hình hóa mẫu lăng trụ chịu nén và mẫu dầm uốn 3 điểm, 4 điểm. Đường quan hệ ứng suất – biến dạng nén và tải trọng – độ võng từ mô hình số thể hiện sự trùng khớp với biểu đồ thực nghiệm.
  2. Mô phỏng dầm UHPC DƯL tiết diện chữ I và chữ T: Mô hình hóa giai đoạn truyền ứng suất trước sau khi cắt cáp (xác định độ vồng ban đầu) và giai đoạn gia tải đến phá hoại uốn.
  3. So sánh kiểm chứng: Kết quả phân tích số về độ võng, sự phân bố biến dạng dẻo, quá trình mở rộng vết nứt và sức kháng uốn cực hạn của dầm I-UHPC và T-UHPC phù hợp với số liệu thực nghiệm đã công bố, xác nhận độ tin cậy của bộ tham số vật liệu và phương pháp mô hình hóa PTHH đề xuất.

Chương 5: Áp dụng kết quả nghiên cứu trong thiết kế uốn dầm cầu bằng vật liệu UHPC DƯL

Chương 5 ứng dụng công thức giải tích đề xuất và mô hình số PTHH để thiết kế kết cấu nhịp dầm I giản đơn dài 42 m (ký hiệu I42) chịu hoạt tải HL-93 theo điều kiện khai thác tại Việt Nam:

  • Lựa chọn kích thước mặt cắt ngang tối ưu cho dầm I42-UHPC với chiều cao dầm $h = 1,1$ m, bề rộng bản cánh trên $b = 1000$ mm, sườn dầm mảnh $b_w = 120$ mm.
  • Thực hiện tính toán nội lực, hệ số phân bố ngang và kiểm toán sức kháng uốn theo công thức khối ứng suất chữ nhật tương đương từ Chương 3.
  • Xây dựng mô hình PTHH 3D dầm I42 để đánh giá trạng thái ứng suất cắt cáp, kiểm tra độ võng dưới hoạt tải và kiểm định ứng xử phi tuyến khi uốn.
  • Kết quả so sánh cho thấy dầm I42 sử dụng vật liệu UHPC DƯL cho phép giảm chiều cao kết cấu từ 1,6 m (đối với dầm BT DƯL truyền thống) xuống còn 1,1 m (giảm trên 31% chiều cao kiến trúc), đồng thời giảm đáng kể trọng lượng bản thân mà vẫn thỏa mãn các điều kiện về cường độ chịu uốn và độ võng giới hạn.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp về lý luận và khoa học

  1. Xây dựng thành công mô hình biểu đồ quan hệ ứng suất – biến dạng nén và kéo cho vật liệu UHPC chế tạo từ nguồn nguyên liệu trong nước tại Trường Đại học Xây dựng Hà Nội (NUCE-UHPC), làm cơ sở tính toán ứng xử cơ học của kết cấu.
  2. Đề xuất phương pháp phân bố ứng suất dạng khối chữ nhật tương đương cho dầm cầu UHPC DƯL chịu uốn, xác định quy luật biến thiên của các hệ số hình khối ứng suất ($\alpha_1, \beta_1, \beta_2$) theo cấp cường độ chịu nén $f_c'$, giải quyết bài toán đơn giản hóa biểu đồ ứng suất phi tuyến phức tạp trong vùng nén và vùng kéo sau nứt.
  3. Thiết lập hệ thống công thức giải tích tường minh xác định vị trí trục trung hòa $d_n$ và sức kháng uốn danh định $M_n$ cho dầm cầu UHPC DƯL tiết diện chữ I và chữ T tổng quát, tương thích với định dạng tính toán của Tiêu chuẩn TCVN 11823:2017.
  4. Xây dựng quy trình mô hình hóa số PTHH 3D tích hợp mô hình phá hoại vật liệu Drucker – Prager / Rankine kết hợp phần tử dính bám COMBIN39, cho phép mô phỏng chính xác ứng xử phi tuyến, độ võng và quá trình nứt của dầm UHPC DƯL từ lúc cắt cáp đến khi phá hoại.

Đóng góp về thực tiễn và giải pháp đề xuất

  1. Cung cấp bộ thông số cơ học đầu vào đáng tin cậy của vật liệu UHPC chế tạo tại Việt Nam phục vụ công tác thiết kế cầu.
  2. Ứng dụng thành công vào thiết kế dầm chữ I nhịp 42 m (I42), chứng minh dầm I-UHPC DƯL chỉ cần chiều cao 1,1 m so với 1,6 m của dầm BT DƯL thông thường, giúp tiết kiệm vật liệu, giảm tĩnh tải tác dụng xuống mố trụ và móng, đồng thời tăng tĩnh không thông thuyền cho công trình cầu.
  3. Kiến nghị đưa phương pháp tính toán sức kháng uốn và hệ số khối ứng suất tương đương vào các tiêu chuẩn, hướng dẫn thiết kế cầu sử dụng UHPC trong tương lai tại Việt Nam.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của nghiên cứu

  • Phạm vi nghiên cứu chủ yếu tập trung vào ứng xử uốn ở trạng thái giới hạn cường độ của dầm giản đơn chịu uốn thuần túy hoặc uốn kết hợp DƯL căng trước.
  • Các tham số cơ học và mô hình thực nghiệm dựa trên dòng cấp phối vật liệu NUCE-UHPC chế tạo trong điều kiện phòng thí nghiệm tại Trường Đại học Xây dựng Hà Nội.
  • Nghiên cứu chưa đi sâu vào ứng xử dầm ở trạng thái giới hạn sử dụng dài hạn (từ biến, co ngót, mỏi) cũng như sự tương tác phức tạp giữa uốn, cắt và xoắn.

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Tiếp tục mở rộng nghiên cứu thực nghiệm gia tải uốn trên các dầm mô hình tỷ lệ thực (full-scale) với các dạng mặt cắt định hình khác như dầm hộp, dầm chữ U, dầm chữ PI.
  • Nghiên cứu hoàn thiện mô hình tính toán sức kháng cắt, kháng xoắn và ứng xử cục bộ tại vùng truyền lực dự ứng lực đầu dầm UHPC.
  • Nghiên cứu ảnh hưởng của điều kiện môi trường xâm thực, tải trọng lặp và dao động mỏi đến độ bền lâu của dầm UHPC DƯL trong điều kiện khí hậu nhiệt đới ẩm Việt Nam.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo chuyên môn trong lĩnh vực kỹ thuật cầu đường và vật liệu xây dựng:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và sinh viên chuyên ngành Cầu – Hầm, Công trình Giao thông: Tham khảo phương pháp phân tích mặt cắt phi tuyến, kỹ thuật xây dựng đường cong $\sigma - \varepsilon$ từ thí nghiệm CMOD, và phương pháp mô hình hóa PTHH phi tuyến 3D bằng phần mềm chuyên dụng.
  • Giảng viên và cán bộ nghiên cứu: Sử dụng làm tài liệu giảng dạy chuyên đề kết cấu bê tông chất lượng siêu cao, kết cấu nhịp tiên tiến và phương pháp nghiên cứu thực nghiệm công trình.
  • Kỹ sư tư vấn thiết kế cầu: Sử dụng trực tiếp công thức giải tích tính nhanh sức kháng uốn $M_n$ và vị trí trục trung hòa $d_n$ bằng phương pháp khối ứng suất tương đương để tính toán thiết kế sơ bộ và chi tiết dầm UHPC DƯL.
  • Cơ quan quản lý nhà nước và ban soạn thảo tiêu chuẩn: Cung cấp luận cứ khoa học và số liệu thực nghiệm phục vụ biên soạn các tiêu chuẩn, chỉ dẫn kỹ thuật quốc gia về thiết kế, thi công và nghiệm thu kết cấu cầu sử dụng bê tông chất lượng siêu cao tại Việt Nam.

Câu hỏi thường gặp

1. Thành phần chế tạo và các chỉ tiêu cơ học chính của vật liệu NUCE-UHPC trong luận án là gì?

Vật liệu NUCE-UHPC được chế tạo từ xi măng Poóc lăng, cát quắc nghiền mịn, xỉ lò cao nghiền mịn (GGBFS), silica fume (SF), phụ gia siêu dẻo gốc polycarboxylate (PCE), nước (với tỷ lệ N/CKD từ 0,15 đến 0,20) và 2% cốt sợi thép cường độ cao theo thể tích ($L_f = 13$ mm, $d_f = 0,2$ mm). Các chỉ tiêu cơ học đạt được gồm: cường độ chịu nén $f_c' > 120$ MPa (có thể đạt 150–165 MPa khi bảo dưỡng nhiệt ẩm), cường độ kéo khi uốn đến 50 MPa, cường độ kéo dọc trục từ 6 đến 12 MPa, và mô đun đàn hồi $E_c$ từ 42 đến 55 GPa.

2. Tại sao khi tính toán sức kháng uốn dầm UHPC DƯL không thể bỏ qua khả năng chịu kéo của bê tông như bê tông thường?

Trong bê tông thường, khả năng chịu kéo thấp và bê tông bị nứt sớm nên sức kháng kéo bị bỏ qua trong tính toán uốn. Ngược lại, nhờ hàm lượng cốt sợi thép phân tán đóng vai trò liên kết cầu nối qua các vết nứt vi mô, UHPC vẫn duy trì khả năng truyền ứng suất kéo đáng kể sau khi nứt (cường độ kéo sau nứt $f_t$ có thể đạt từ 5 đến trên 10 MPa và duy trì đến biến dạng $\varepsilon_{tu} = 0,007$). Ứng suất kéo này đóng góp trực tiếp vào mô men kháng uốn danh định của tiết diện; việc bỏ qua vùng kéo sẽ dẫn đến đánh giá thiếu chính xác và lãng phí khả năng chịu lực của vật liệu.

3. Biểu đồ khối ứng suất chữ nhật tương đương do tác giả đề xuất được cấu tạo bởi các tham số nào?

Biểu đồ khối ứng suất chữ nhật tương đương được thiết lập dựa trên nguyên lý tương đương về diện tích lực và điểm đặt hợp lực của biểu đồ ứng suất phân lớp thực tế, bao gồm:

  • Vùng nén: Ứng suất nén đều có giá trị $\alpha_1 f_c'$ phân bố trên chiều cao khối nén $a = \beta_1 d_n$ (trong đó $d_n$ là chiều cao trục trung hòa; $\alpha_1, \beta_1$ là các hệ số phụ thuộc vào cấp cường độ chịu nén $f_c'$).
  • Vùng kéo sau nứt: Ứng suất kéo đều có giá trị $f_t$ phân bố trên chiều cao khối kéo $a_t = \beta_2 (h - d_n)$ (trong đó $\beta_2$ là hệ số chiều cao vùng kéo tương đương).

4. Mô hình số phần tử hữu hạn 3D trong luận án sử dụng các loại phần tử nào để mô phỏng dầm UHPC DƯL?

Mô hình số PTHH (trên nền tảng ANSYS) sử dụng tổ hợp 3 loại phần tử chính:

  • SOLID185: Phần tử khối đặc 8 nút mô phỏng vật liệu bê tông UHPC, gán mô hình vật liệu Drucker – Prager và Rankine để mô tả ứng xử phá hoại nén/kéo phi tuyến.
  • LINK180: Phần tử thanh 3D 2 nút chỉ chịu lực dọc trục mô phỏng các sợi cốt thép dự ứng lực.
  • COMBIN39: Phần tử phi tuyến đàn dẻo kết nối giữa các nút của phần tử LINK180 và SOLID185 để mô phỏng chính xác quan hệ lực – độ trượt của liên kết dính bám giữa cáp DƯL và UHPC.

5. Hiệu quả giảm kích thước kết cấu khi ứng dụng UHPC cho dầm chữ I nhịp 42 m (I42) đạt được như thế nào?

Khi áp dụng kết quả nghiên cứu thiết kế cho kết cấu dầm I nhịp giản đơn 42 m chịu hoạt tải HL-93, dầm I42-UHPC chỉ yêu cầu chiều cao tiết diện là 1,1 m, sườn dầm dày 120 mm. So với giải pháp dầm bê tông dự ứng lực thông thường cùng chiều dài nhịp (phải sử dụng dầm Super T hoặc dầm I có chiều cao 1,6 m), dầm UHPC giúp giảm chiều cao mặt cắt 0,5 m (giảm trên 31%), giúp kết cấu thanh mảnh hơn, giảm tĩnh tải tác dụng lên hệ thống mố trụ móng và cải thiện chiều cao tĩnh không phía dưới cầu.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Ngô Quý Tuấn đã hoàn thành các mục tiêu khoa học về nghiên cứu ứng xử uốn của dầm cầu bê tông chất lượng siêu cao dự ứng lực trong điều kiện vật liệu và thi công tại Việt Nam. Tác giả đã xác lập được hệ thống dữ liệu thực nghiệm cơ học của vật liệu NUCE-UHPC, xây dựng đường cong quan hệ ứng suất – biến dạng và thiết lập công thức giải tích tính toán sức kháng uốn danh định $M_n$ thông qua mô hình khối ứng suất chữ nhật tương đương ($\alpha_1, \beta_1, \beta_2$). Kết quả nghiên cứu được kiểm chứng qua mô phỏng phần tử hữu hạn 3D và áp dụng tính toán thành công cho dầm nhịp 42 m, đóng góp cơ sở lý luận và công cụ thực hành giá trị cho việc phát triển, ứng dụng công nghệ UHPC trong ngành xây dựng cầu đường tại Việt Nam.