Nhận viết luận văn đại học, thạc sĩ trọn gói, chất lượng, LH ZALO=>0909232620 Tham khảo dịch vụ, bảng giá tại: https://vietbaitotnghiep.com/dich-vu-viet-thue-luan-van Download luận án tiến sĩ ngành kĩ thuật xây dựng với đề tài: Nghiên cứu gia cường kết cấu bê tông cốt thép bằng tấm composite ứng ụng cho công trình thủy lợi, Cho các bạn làm luận văn tham khảo

1. i
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết
quả ghi trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công
trình nào khác.
Tác giả
Nguyễn Chí Thanh

2. ii
LỜI CẢM ƠN
Với tất cả tình cảm của mình, tác giả xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn
sâu sắc tới GS.TS Lê Mạnh Hùng, GS.TS Phạm Ngọc Khánh đã tận tình hướng
dẫn, chỉ bảo trong suốt quá trình nghiên cứu hoàn thành luận án.
Tác giả xin trân trọng cảm ơn Cở sở đào tạo Viện Khoa học Thủy lợi Việt
Nam, Viện Thủy Công đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tác giả học tập và hoàn
thành luận án.
Cuối cùng, xin cảm ơn gia đình, đồng nghiệp và bạn bè đã chia sẻ, động
viên, tạo điều kiện cho tác giả hoàn thành luận án này.
Hà nội, ngày tháng năm 2017
Nguyễn Chí Thanh

3. iii
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU.....................................................................................................................1
1. Tính cấp thiết của đề tài.......................................................................................1
2. Mục đích nghiên cứu...........................................................................................2
3. Phương pháp nghiên cứu.....................................................................................2
4. Cách tiếp cận .......................................................................................................3
5. Phạm vi và đối tượng nghiên cứu........................................................................4
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án..........................................................5
7. Những đóng góp mới của luận án .......................................................................5
8. Bố cục của luận án...............................................................................................6
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU GIA CƯỜNG KẾT CẤU BÊ TÔNG
CỐT THÉP BẰNG TẤM COMPOSITE....................................................................8
1.1 Hiện trạng hư hỏng kết cấu bê tông cốt thép công trình thủy lợi ở Việt Nam.8
1.2 Một số phương pháp gia cường kết cấu bê tông cốt thép................................13
1.2.1 Tóm tắt về một số phương pháp gia cường kết cấu..................................13
1.2.2 Phương pháp gia cường kết cấu bằng tấm composite ..............................14
1.2.3 Vật liệu composite dùng trong gia cường.................................................17
1.2.3.1 Đặc tính cấu tạo của tấm composite ..................................................17
1.2.3.2 Đặc tính vật lý của vật liệu composite...............................................17
1.2.3.3 Đặc tính cơ học ..................................................................................19
1.2.3.4 Ứng xử theo thời gian của kết cấu sau gia cường..............................19
1.2.4 Các dạng phá hoại chính của kết cấu sau gia cường bằng phương pháp
dán lớp vật liệu composite.................................................................................20
1.3Tình hình nghiên cứu về gia cường kết cấu BTCT bằng tấmcomposite..........22
1.3.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới ...........................................................22
1.3.2 Tình hình nghiên cứu ở trong nước ..........................................................25
1.3.3Những vấn đề còn tồn tại trong nghiên cứu gia cường KCBTCT bằng
tấmcomposite.....................................................................................................26
1.4 Các vấn đề nghiên cứu ....................................................................................28

4. iv
Kết luận chương 1 .................................................................................................32
Chương 2: CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA VIỆC GIA CƯỜNG KẾT CẤU BTCT
BẰNG TẤM COMPOSITE......................................................................................33
2.1 Ứng xử của kết cấu BTCT khi chịu tải trọng..................................................33
2.1.1. Ứng xử của vật liệu bê tông.....................................................................34
2.1.2 Ứng xử của vật liệu thép...........................................................................37
2.1.3 Liên kết giữa bê tông và cốt thép..............................................................38
2.2 Tính toán kết cấu BTCT bằng phương pháp số ..............................................38
2.2.1 Cơ sở khoa học .........................................................................................38
2.2.2 Phương pháp phân tích PTHH..................................................................41
2.2.2.1 Giới thiệu chung ....................................................................................41
2.2.2.2Mô hình hóa PTHH ................................................................................42
2.3 Ứng dụng phần mềm phân tích phi tuyến kết cấu BTCT................................45
2.3.1 Một số phần mềm ứng dụng điển hình .................................................45
2.2.2 Lựa chọn phần mềm mô phỏng.............................................................46
2.2.3 Mô hình PTHH với phần mềm ATENA...............................................47
2.4 Kiểm định kết quả tính toán bằng phần mềm ATENA ...................................51
2.3.3 Kết cấu dầm chịu tải trọng phân bố ......................................................52
2.3.4 Kết cấu dầm kích thước lớn chịu tải trọng tập trung ............................55
2.5 Ứng xử của kết cấu BTCT gia cường bằng tấm composite ............................58
Kết luận chương 2 .................................................................................................58
Chương3: NGHIÊN CỨU CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN HIỆU QUẢ GIA
CƯỜNG KẾT CẤU BTCT BẰNG TẤM COMPOSITE.........................................60
3.1Nghiên cứu ứng xử của kết cấu BTCT gia cường bằng tấm composite theo
phương pháp thực nghiệm.....................................................................................60
3.1.1 Giới thiệu chung .......................................................................................60
3.1.2 Thí nghiệm xác định ứng xử của dầm chịu uốn .......................................61
3.1.2.1 Mục tiêu và các tham số trong thí nghiệm.........................................61
3.1.2.2 Mẫu thí nghiệm - Kích thước và vật liệu...........................................62

5. v
3.1.2.3. Kết quả thí nghiệm và thảo luận .......................................................65
3.1.3. Thí nghiệm xác định ứng xử của tấm chịu uốn .......................................70
3.1.3.1. Mục tiêu của thí nghiệm và các tham số...........................................70
3.1.3.2. Mẫu thí nghiệm - Kích thước và vật liệu.........................................71
3.1.3.3. Thực hiện thí nghiệm ........................................................................72
3.1.3.4. Kết quả thí nghiệm............................................................................73
3.1.3.4. Nhận xét ............................................................................................77
3.1.4 Kết luận phần nghiên cứu thực nghiệm....................................................77
3.2 Nghiên cứu ứng xử của kết cấu bê tông cốt thép gia cường bằng
tấmcomposite theo phương pháp số......................................................................78
3.2.1Kết cấu dầm ...........................................................................................78
3.2.2 Kết cấu bản............................................................................................81
3.3 Xây dựng công thức tính toán sức kháng cắt của kết cấu bê tông cốt thép gia
cường chịu uốn ......................................................................................................87
3.3.1 Sơ lược về sức kháng cắt ..........................................................................87
3.3.2 Đề xuất công thức tính toán mới về sức kháng cắt cấu kiện bê tông cốt
thép.....................................................................................................................91
3.4 Nghiên cứu yếu tố ảnh hưởng đến khả năng chịu uốn của kết cấu được gia
cường bằng tấm composite....................................................................................94
3.4.1Giới thiệu chung ........................................................................................94
3.4.2 Các tham số ảnh hưởng tới sức chịu tải của hệ kết cấu gia cường...........95
3.4.2.1Ảnh hưởng của mức độ gia cường......................................................96
3.4.2.2Ảnh hưởng của cường độ bê tông.....................................................100
3.4.2.3Ảnh hưởng của hàm lượng của cốt thép chịu lực .............................102
3.4.2.4Ảnh hưởng của chiều dày lớp bê tông bảo vệ...................................104
3.5Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng chịu chịu cắt của kết cấu được
gia cường chịu uốn bằng tấm composite.............................................................106
Kết luận chương 3 ...............................................................................................109

6. vi
Chương 4: ÁP DỤNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀO TÍNH TOÁN CHO
CÔNG TRÌNH THỰC TẾ ......................................................................................111
4.1 Đặc điểm kết cấu và điều kiện làm việc của CTTL ......................................111
4.2 Quy trình tính toán gia cường KC BTCT bằng tấm composite cho CTTL...113
4.3 Công trình cống Liệt Sơn ..............................................................................116
4.3.1 Hiện trạng về công trình cống Liệt Sơn..................................................116
4.3.2 Tính toán gia cường kết cấu cống...........................................................118
4.3.2.1 Mô hình vật liệu ...............................................................................118
4.3.2.2 Mô hình tải trọng..............................................................................119
4.3.2.3 Mô hình hóa hình học kết cấu..........................................................120
4.3.3 Kết quả tính toán.....................................................................................120
4.3.3.1 Kết cấu trước khi gia cường.............................................................120
4.3.3.2 Kết cấu sau khi gia cường................................................................122
4.3.3.3 Khảo sát các tham số........................................................................122
4.3.4 Đánh giá sức chịu tải của kết cấu sau khi gia cường..............................123
4.4 Công trình cầu máng .....................................................................................126
4.4.1 Sơ lược về kết cấu cầu máng và trình tự thi công ..................................126
4.4.2 Tính toán kết cấu theo giai đoạn thi công...............................................129
4.4.3 Tính toán gia cường cho dầm chính cầu máng.......................................134
Kết luận chương 4 ...............................................................................................137
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.................................................................................139
I. Kết luận ............................................................................................................139
II. Kiến nghị.........................................................................................................143
TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................................145
PHỤ LỤC................................................................................................................153
Phụ lục A: Kết quả thí nghiệm của nghiên cứu sinh...........................................153
Phụ lục B: Tổng kết ngân hàng dữ liệu thí nghiệm từ các tài liệu tham khảo ....164
Phụ lục C: Kết quả tính toán gia cường kết cấu bằng tấm composite.................168

7. vii
DANH MỤC CÁC ĐỊNH NGHĨA, KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
1. Một số định nghĩa
Sức kháng Là khả năng chịu lực lớn nhất của kết cấu hoặc thành phần kết cấu
dưới tác dụng của tải trọng cơ học
Sức kháng uốn Là khả năng chịu mô men uốn lớn nhất của kết cấu hoặc thành
phần kết cấu
Sức kháng cắt Là khả năng chịu cắt lớn nhất của kết cấu hoặc thành phần kết cấu
Composite Là vật liệu chịu lực được tạo bởi một hỗn hợp các vật liệu chịu lực
cơ bản. Theo đó, cũng có thể hiểu bê tông là một loại vật liệu
composite khi xét kỹ lưỡng từng thành phần cấu tạo như đá, xi
măng, cát, nước và các hạn mịn cũng như các loại vật liệu tạo phụ
gia khác
Tấm composite Trong luận án này, tấm composite được hiểu là loại vật liệu tổng
hợp từ vật liệu phi kim cường độ cao như sợi các-bon, sợi thủy
tinh, sợi aramid và keo dính cũng như vữa kết nối đặc biệt
Sợi trực hướng Khi sử dụng tấm composite được tạo bởi lưới sợi vật liệu được đan
vuông góc với nhau với mục đích tạo khả năng chịu lực theo hai
phương thì được gọi là sợi trực hướng
Gia cường Là việc sử dụng các giải pháp về mặt kết cấu nhằm duy trì hoặc
nâng cao sức kháng của kết cấu theo một yêu cầu được đặt ra
Mức độ gia
cường
Là mức độ yêu cầu của việc gia cường. Ví dụ, gia cường để làm
tăng khả năng chịu lực của kết cấu thêm 50%, gia cường để đảm
bảo bề rộng vết nứt nhỏ hơn 30%, gia cường để độ võng được giảm
đi 70% dưới tác động của tải trọng,…
Ứng xử của kết
cấu
Là tập hợp các phản ứng của kết cấu dưới tác dụng của tải trọng
hoặc tác động. Nó thường được thể hiện thông qua sự phân bố ứng
suất-biến dạng, chuyển vị, phản lực, vết nứt,.. theo các trạng thái
chịu lực.

8. viii
Phá hoại uốn Là phá hoại trong kết cấu bê tông cốt thép do tác động của mô men
uốn là chủ đạo, ở đây có hai trường hợp phá hoại điển hình: phá
hoại xảy ra khi cốt thép bị kéo chảy vượt quá giá trị biến dạng giới
hạn (khoảng 25% hoặc 50% tùy theo loại cốt thép); hoặc bê tông
vùng nén bị nén quá giá trị biến dạng nén giới hạn (khoảng -3,5%).
Phá hoại cắt Đối với kết cấu bê tông, phá hoại cắt xảy ra sau khi các vết nứt
xiên phát triển tới một trạng thái giới hạn. Các vết nứt xiên này
hình thành do mô men uốn lớn tác động hơn mô men uốn gây nứt
và lực cắt có giá trị lớn. Nói chung, phá hoại cắt thường gây ra do
cả lực cắt và mô men uốn, nên cũng có thể gọi là phá hoại cắt uốn
kết hợp
Mô phỏng kết
cấu
Là việc sử dụng các phương pháp phân tích tính toán kết cấu để tạo
dựng lại các trạng thái chịu lực của kết cấu theo các giai đoạn tác
động của tải trọng hoặc thời gian. Trong luận án này, mô phỏng kết
cấu được hiểu là việc sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để
tính toán, phân tích các trạng thái ứng suất, biến dạng cũng như các
vấn đề cơ học nhằm lý giải ứng xử của kết cấu một cách đầy đủ, rõ
ràng và thuyết phục.
Hàm lượng cốt
thép có hiệu
Là hàm lượng cốt thép trong kết cấu bê tông thực sự tham gia vào
việc chịu lực được xem xét nào đó. Ví dụ, nó bao gồm cốt thép dọc
đã có trong kết cấu và tấm composite được gia cường.
Trạng thái giới
hạn
Là trạng thái mà kết cấu có đại lượng nghiên cứu đạt tới giá trị giới
hạn được giả định trước.
Trạng thái giới
hạn cường độ
Là trạng thái mà sức kháng của kết cấu đạt tới giá trị lớn nhất
Trạng thái giới
hạn sử dụng
Là trạng thái mà biến dạng, bề rộng vết nứt,.. của kết cấu đạt tới
giá trị qui định trước

9. ix
2. Chữ viết tắt
ABAQUS Chương trình phân tích phần tử hữu hạn phi tuyến do công ty
Simulink phát triển
AFRP Aramid Fiber Reinforced Polymer
ASTM American Society for Testing and Materials, hiệp hội Mỹ về thí
nghiệm và vật liệu
ATENA Chương trình phân tích phần tử hữu hạn phi tuyến do công ty
Cervenka phát triển, được dùng trong luận án
ATENA 2D Chương trình phân tích phần tử hữu hạn chuyên dụng cho phần tử
phẳng do công ty Cervenka phát triển
ATENA 3D Chương trình phân tích phần tử hữu hạn chuyên dụng cho phần tử
không gian do công ty Cervenka phát triển
BTCT Bê tông cốt thép
CFRP
CTTL
Các bon Fiber Reinforced Polymer
Công trình thủy lợi
DIANA Chương trình phân tích phần tử hữu hạn phi tuyến do công ty
DIANA phát triển
FRP Fiber Reinforced Polymer
GFRP
PTHH
Grass Fiber Reinforced Polymer
Phần tử hữu hạn
3. Các ký hiệu
Hệ số dãn nở nhiệt của vật liệu theo phương dọc và phương ngang
Biến dạng của bê tông hoặc cốt thép
Biến dạng giới hạn thiết kế của cốt vật liệu gia cường
Biến dạng phá hoại của lớp vật liệu gia cường
Hệ số biến thiên của sai số mô hình, là tỷ số giữa độ lệch tiêu
chuẩn và giá trị trung bình
Góc ma sát trong tự nhiên của đất

10. x
Đường kính cốt thép
Hệ số an toàn
Dung trọng riêng của lớp đất thứ i
Dung trọng riêng tự nhiên của đất
Dung trọng riêng của đất khi bão hòa
đ Dung trọng đẩy nổi
Sai số mô hình, được tính là tỷ số giữa kết quả sức kháng từ thí
nghiệm và kết quả sức kháng tính toán. Ví dụ, đối với đánh giá sức
kháng cắt thì í ê í á
Sai số trung bình của mô hình
Hàm lượng cốt thép dọc của cấu kiện, là tỷ số diện tích cốt thép
dọc và diện tích mặt cắt bê tông chịu lực,
Hàm lượng cốt thép có hiệu theo phương dọc, được tính là tỷ số
giữa diện tích cốt thép dọc và diện tích mặt cắt bê tông chịu lực
Ứng suất của bê tông hoặc cốt thép
Độ lệch chuẩn của sai số mô hình
Hệ số nở ngang của bê tông
a Khoảng cách tải trọng tập trung và gối dầm đơn giản
aL Khoảng cách tải trọng tương đương trong tính toán sức kháng cắt
của cấu kiện
b Bề rộng mặt cắt bê tông cốt thép
c Khoảng cách mép ngoài thớ chịu kéo của mặt cắt bê tông và trọng
tâm cốt thép dọc vùng bê tông chịu kéo
d Chiều cao tính toán chịu lực của mặt cắt bê tông cốt thép, được tính
từ thớ chịu nén nhiều nhất đến vị trí cốt thép dọc chịu lực trong
vùng bê tông chịu kéo,
′ Cường độ lăng trụ tiêu chuẩn của bê tông chịu nén
Cường độ chịu nén lăng trụ của bê tông ứng với xác suất giá trị

11. xi
giới hạn dưới là 5%
Cường độ chịu nén lăng trụ trung bình của bê tông
Cường độ chịu nén lập phương của bê tông
Cường độ chịu kéo trung bình của bê tông
h Chiều cao mặt cắt bê tông cốt thép
Số lớp vật liệu gia cường
Áp lực theo phương ngang (của nước, đất lên thành cống)
q Áp lực theo phương đứng (của nước, đất lên trần hoặc đáy cống)
Bề dày một lớp vật liệu gia cường
Bề rộng vết nứt lớn nhất của kết cấu bê tông đang xét
Biến dạng nén giới hạn của bê tông
Diện tích mặt cắt ngang cốt thép dọc chịu lực sử dụng trong tính
toán mặt cắt chịu lực bê tông cốt thép
Diện tích mặt cắt ngang bê tông, được tính là
Diện tích mặt cắt ngang của tấm composite trong tính toán mặt cắt
chịu lực của kết cấu gia cường
BDi Vị trí đo biến dạng thứ i
BO1-BO4 Ký hiệu mẫu thí nghiệm bản bê tông cốt thép
DO1-DO6 Ký hiệu mẫu thí nghiệm dầm bê tông cốt thép
Mô đun biến dạng (cũng là mô đun đàn hồi) của bê tông
Mô đun đàn hồi trung bình của bê tông
Mô đun đàn hồi của cốt thép
Mô đun đàn hồi của tấm composite theo phương chịu lực được xét
(khi tính toán trong mặt cắt bê tông cốt thép được gia cường)
Mô đun đàn hồi của vật liệu gia cường
Năng lượng phá hủy của bê tông
Khoảng cách điểm cuối lớp gia cường tới điểm mô men uốn bằng
không

12. xii
Nhiệt độ giới hạn của vật liệu kết dính
Sức kháng cắt của cấu kiện bê tông cốt thép
Sức kháng cắt thiết kế của cấu kiện bê tông cốt thép, là sức kháng
cắt tính toán sau khi đã xem xét các hệ số an toàn
Sức kháng cắt trung bình của cấu kiện bê tông cốt thép, ứng với hệ
số an toàn bằng 1, được sử dụng khi tính toán so sánh với kết quả
thực nghiệm
Chiều dày lớp đất thứ i

13. xiii
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1: Ưu nhược điểm của các phương pháp gia cường kết cấu 13
Bảng 1.2: Khối lượng riêng của các loại vật liệu composite 18
Bảng 1.3: Hệ số dãn nở nhiệt của các loại vật liệu composite 18
Bảng 2.1: Tham số vật liệu bê tông theo ATENA 48
Bảng 2.2: Sự biến thiên ngẫu nhiên của các tham số vật liệu 49
Bảng 2.3: So sánh kết quả thí nghiệm và tính toán với dầm cao 4m 58
Bảng 3.1: Các thông số của mẫu thi nghiệm 62
Bảng 3.2: Kết quả thí nghiệm của mẫu bê tông 65
Bảng 3.3:Các thông số của chương trình thí nghiệm 71
Bảng 3.4: Kết quả thí nghiệm của mẫu bê tông 73
Bảng 3.5: So sánh kết quả tính toán theo các công thức khác nhau 93
Bảng 4.1: Ảnh hưởng của các tham số tới ứng xử của kết cấu 123
Bảng 4.2: So sánh giữa các kết quả đo và tính toán 125
Bảng A3.1: Kết quả thí nghiệm bê tông phục vụ cho việc tính toán 158
Bảng A6.1: Kết quả tính chuyển vị phụ thuộc tải trọng của bản bê tông cốt thép
không gia cường 162
Bảng A6.2: Kết quả tính biến dạng thớ trên và thớ dưới giữa bản bê tông cốt
thép sau khi gia cường 163
Bảng B1: Bảng dữ liệu các thí nghiệm cho dầm chịu cắt được gia cường 165

14. xiv
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1a: Bê tông bị ăn mòn (trái) và nứt vỡ bê tông dàn van (phải) cống
Cổ Tiêu 11
Hình 1.1b: Bê tông thành cầu máng bị nứt vỡ khi chịu tải trọng - Cầu máng trên
kênh tưới hồ Tà Keo - Lạng Sơn 11
Hình 1.1c: Bê tông cống bị tróc rỗ bề mặt (trái) và nhũ vôi, đùn rỉ thép (phải)-
Cống lấy nước dưới đập thuộc hồ chứa nước Liệt Sơn, tỉnh Quảng Ngãi 12
Hình 1.2: Ứng suất-biến dạng của vật liệu cốt sợi carbon và sợi thủy tinh 15
Hình 1.3: Gia cường kết cấu dầm bê tông cốt thép về kháng uốn 16
Hình 1.4: Gia cường kết cấu dầm, cột BTCT tăng khả năng chịu cắt 16
Hình 1.5: Các dạng phá hoại điển hình của cấu kiện chịu uốn được gia cường bằng
tấm sợi tổng hợp 21
Hình 2.1: Biểu đồ lực - chuyển vị của ứng xử một chiều 33
Hình 2.2: Ứng xử của mẫu bê tông chịu kéo theo Hillerborg (1983) 34
Hình 2.3: Thí nghiệm nén mẫu bê tông hình trụ 35
Hình 2.4: Bê tông bị kéo nén ba trục 36
Hình 2.5: Bê tông chịu kéo nén 2 trục 37
Hình 2.6: Thí ngihệm kéo đối với mẫu thép có chiều dài tự do 750mm 37
Hình 2.7: Quan hệ dính bám giữa bê tông và cốt thép 38
Hình 2.8: Một số phần tử hữu hạn thông dụng 43
Hình 2.9: Sơ đồ kết cấu dầm 53
Hình 2.10: Sự phân bố vết nứt ở trạng thái phá hoại 53
Hình 2.11: Sự phân bố vết nứt ở trạng thái phá hoại theo kết quả tính toán 54
Hình 2.12: Biến dạng tại vị trí giữa bản phụ thuộc vào tải trọng 55
Hình 2.13: Hình ảnh thí nghiệm và cấu tạo của dầm 56
Hình 2.14: Hình ảnh vết nứt của dầm trong thí nghiệm cắt 56
Hình 2.15: Hình ảnh thí nghiệm và cấu tạo của dầm 57
Hình 2.16: Biểu đồ tải trọng tập trung tác dụng và chuyển vị 57
Hình 3.1: Mô hình thí nghiệm và các điểm đo chuyển vị và biến dạng 63

15. xv
Hình 3.2: Dầm bê tông thí nghiệm theo sơ đồ 4 điểm 64
Hình 3.3: Biểu đồ quan hệ chuyển vị phụ thuộc vào tải trọng 67
Hình 3.4: Biểu đồ biến dạng của mặt cắt giữa dầm D02 (gia cường 1 lớp) 68
Hình 3.5: Biểu đồ biến dạng của mặt cắt giữa dầm D05 (gia cường 4 lớp) 68
Hình 3.6: Sự gia tăng sức chịu tải của dầm với các mức độ gia cường 69
Hình 3.7: Mô hình thí nghiệm bản (tấm) chịu uốn 72
Hình 3.8: Thí nghiệm bản bê tông cốt thép gia cường bằng tấm composite 72
Hình 3.9: Hình ảnh kết quả thí nghiệm của bản ở trạng thái phá hoại 74
Hình 3.10: Dạng phá hoại của bản gia cường 75
Hình 3.11: Biểu đồ quan hệ chuyển vị-tải trọng ở vị trí giữa bản 76
Hình 3.12: Biểu đồ biến dạng của mặt cắt giữa bản B03 76
Hình 3.13: Biểu đồ vết nứt của dầm dưới tác dụng của tải trọng uốn 78
Hình 3.14: Biểu đồ phân bố vết nứt và bề rộng vết nứt của dầm. 79
Hình 3.15: Biểu đồ ứng suất cốt thép trong dầm 79
Hình 3.16: Hình ảnh vết nứt của dầm được gia cường 80
Hình 3.17: Sự phát triển vết nứt do lực cắt tại khu vực không gia cường 80
Hình 3.18: Ứng suất trong cốt thép 80
Hình 3.19: Quan hệ tải trọng – chuyển vị tại vị trí giữa dầm 81
Hình 3.20: Vết nứt và ứng suất dọc của bản trước khi gia cường 82
Hình 3.21: Vết nứt và biến dạng dẻo chính của bản trước khi gia cường 82
Hình 3.22: Ứng suất trong cốt thép của bản trước khi gia cường 83
Hình 3.23: Sơ đồ kết cấu mô phỏng bằng phương pháp phần tử hữu hạn 83
Hình 3.24: Chuyển vị, vết nứt và biến dạng dẻo của bản tại tải trọng cực hạn 84
Hình 3.25: Chuyển vị, vết nứt và ứng suất dọc của bản tại tải trọng cực hạn 84
Hình 3.26: Chuyển vị phụ thuộc tải trọng của kết cấu bản không gia cường 84
Hình 3.27: Chuyển vị, vết nứt và ứng suất theo phương X của bê tông bản tại tải
trọng cực hạn 85
Hình 3.28: Chuyển vị tại vị trí giữa bản B02 phụ thuộc vào tải trọng 85
Hình 3.29: Chuyển tại vị trí giữa bản B03 phụ thuộc vào tải trọng 86

16. xvi
Hình 3.30: Biến dạng tại vị trí giữa bản phụ thuộc vào tải trọng 86
Hình 3.31: Cấu kiện dạng bản được gia cường bằng tấm composite 87
Hình 3.32: Quan hệ giữa tỷ số a/Le và hệ số điều chỉnh tính toán 92
Hình 3.33: Vết nứt tại trạng thái giới hạn phụ thuộc vào mức độ gia cường 97
Hình 3.34: Quan hệ chuyển vị và tải trọng giới hạn phụ thuộc vào mức độ gia
cường 98
Hình 3.35: Quan hệ tải trọng giới hạn và mức độ gia cường 99
Hình 3.36: Quan hệ chuyển vị và tải trọng giới hạn phụ thuộcvào cường độ
bê tông 101
Hình 3.37: Quan hệ tải trọng giới hạn và cường độ bê tông 102
Hình 3.38: Quan hệ tải trọng và chuyển vị phụ thuộc vào hàm lượng cốt thép 103
Hình 3.39: Quan hệ tải trọng giới hạn và hàm lượng cốt thép thường 103
Hình 3.40: Quan hệ chuyển vị và tải trọng giới hạn phụ thuộc vào chiều dày
lớp bê tông bảo vệ 105
Hình 3.41: Quan hệ tải trọng giới hạn và chiều dày lớp bê tông bảo vệ 105
Hình 3.42: Sự phát triển của vết nứt và trạng thái ứng suất trong dầm 104
Hình 3.43: Quan hệ tải trọng giới hạn và chiều dài đoạn bê tông không
gia cường 109
Hình 4.1: Hiện trạng cống trước và sau khi gia cường 117
Hình 4.2: Sơ đồ tải trọng của kết cấu 119
Hình 4.3: Ứng suất trong cốt thép và vết nứt của kết cấu trước khi gia cường 121
Hình 4.4: Kiểm nghiệm thực tế, đo biến dạng kết cấu 124
Hình 4.5: Cầu máng trong quá trình thi công 128
Hình 4.6: Vết nứt thẳng đứng trong dầm chủ 129
Hình 4.7: Mô hình phân tích phần tử hữu hạn 3D 130
Hình 4.8: Sơ đồ tính phần tử hữu hạn cho dầm và thành biên cầu máng 132
Hình 4.9: Sơ đồ tính phần tử hữu hạn cho dầm và thành biên cầu máng
(ATENA 2D) 132
Hình 4.10: Hình ảnh vết nứt của kết cấu theo tính toán ở bước tải 2 133

17. xvii
Hình 4.11: Hình ảnh vết nứt và phân bố ứng suất trong cốt thép ở tải 3 133
Hình 4.12: Biểu đồ tải trọng-độ võng của dầm biên 134
Hình 4.13: Phương án gia cường kết cấu cho dầm chủ 136
Hình A.1.1: Mẫu thí nghiệm kéo để xácđịnh giới hạn bền và môđun đàn hồi
của vật liệu 153
Hình A1.2: Hai khối bê tông khi chưa nối 154
Hình A1.3: Hai khối bê tông đãđược dán vào nhau bởi keo Epoxy
và sợi thuỷ tinh 154
Hình A1.4: Bê tông bị phá hoại, liên kết còn nguyên 155
Hình A2.1: Ứng suất – biến dạng của cốt thép xác định qua thí nghiệm 156
Hình A3.1: Ứng suất – biến dạng của bê tông xác định qua thí nghiệm 156
Hình A4.1: Mô hình thí nghiệm và các điểm đo chuyển vị và biến dạng 159
Hình A4.2: Ván khuôn và cốt thép (trái), đổ bê tông (phải) 159
Hình A4.3: Đổ bê tông (trái), dỡ ván khuôn (phải) 160
Hình A4.4: Thí nghiệm dầm bê tông gia cường chịu uốn 160
Hình A6.1: Sơ đồ và kết quả thí nghiệm bản bê tông cốt thép chịu uốn 161
Hình A6.2: Hình ảnh kết quả thí nghiệm bản bê tông cốt thép chịu uốn 161
Hình C1: Mô hình phân tích phần tử hữu hạn cho dầm được gia cường không kín
lớp dưới 168
Hình C2: Biến dạng dẻo chính và vết nứt trong dầm tại trạng thái giới hạn, dầm
không gia cường 169
Hình C3: Biến dạng dẻo chính và vết nứt trong dầm tại trạng thái giới hạn, lớp gia
cường có độ cứng E1 169
Hình C4: Biến dạng dẻo chính và vết nứt trong dầm tại trạng thái giới hạn, lớp gia
cường có độ cứng E2 170
Hình C5: Biến dạng dẻo chính và vết nứt trong dầm tại trạng thái giới hạn, lớp gia
cường có độ cứng E3 170
Hình C6: Biến dạng dẻo chính và vết nứt trong dầm tại trạng thái giới hạn, lớp gia
cường có độ cứng E4 171

18. xviii
Hình C7: Biến dạng dẻo chính và vết nứt trong dầm tại trạng thái giới hạn, lớp gia
cường có độ cứng E5 171
Hình C8. Sơ đồ mặt cắt tính toán 174
Hình C9: Sơ đồ tải trọng tác dụng lên cống 176
Hình C10: Sơ đồ lực cuối cùng tác dụng lên cống 179
Hình C11: Ứng suất và vết nứt trong kết cấu cống trước khi gia cường 181
Hình C12: Ứng suất và vết nứt trong kết cấu cống sau khi gia cường 182

19. 1
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Việt Nam có điều kiện thời tiết phức tạp, bất lợi cho công trình xây dựng nói
chung và kết cấu bê tông cốt thép nói riêng. Sự xâm thực mạnh của môi trường gây
ra hiện tượng rỉ thép, bong tróc lớp bê tông bảo vệ và làm giảm sức chịu tải của hệ
thống kết cấu chịu lực bằng bê tông cốt thép. Trong kết cấu công trình thủy lợi, sự
xâm thực đã làm cho nhiều công trình có kết cấu bằng bê tông cốt thép như các
cống dưới đê, đập,… xuống cấp nghiêm trọng, không đảm bảo tuổi thọ thiết kế.
Ngoài ra, những thay đổi do yêu cầu sử dụng thường có xu hướng bất lợi đối với kết
cấu công trình hiện hữu đòi hỏi việc thực hiện các giải pháp sửa chữa, nâng cấp
hoặc thậm chí thay mới kết cấu công trình. Khi đó, sửa chữa và nâng cấp thường là
giải pháp hữu hiệu vì việc thay mới hàng loạt công trình đòi hỏi khoản tài chính rất
lớn, khó có thể đáp ứng được. Việc nghiên cứu các giải pháp công nghệ sửa chữa,
gia cường để duy trì và phục hồi sự làm việc bình thường của kết cấu công trình
thủy lợi bằng bê tông cốt thép là một yêu cầu cấp thiết.
Gần đây, ở nước ta bắt đầu tiếp cận một giải pháp gia cường kết cấu công trình
bê tông cốt thép bằng vật liệu composite sợi các bon, thủy tinh và aramid (từ đây trở
đi để tiện cho việc trình bày sẽ gọi ngắn gọn là vật liệu composite). Tuy nhiên, việc
nghiên cứu về giải pháp gia cường: dùng loại vật liệu nào, dán bao nhiêu lớp, dán
theo phương pháp nào, kích thước bao nhiêu là phụ thuộc vào tình trạng chịu lực,
tình trạng phá hủy của kết cấu. Nghiên cứu về ứng xử của kết cấu sau khi gia cường
vẫn còn nhiều thách thức, đặc biệt là về các trạng thái phá hủy của kết cấu mới
thường đột ngột (phá hoại giòn do phá hoại lớp keo dính bám hoặc bóc tách lớp bê
tông bảo vệ) nên việc kiểm soát ứng xử của kết cấu vẫn còn là một thách thức. Để
đánh giá hiệu quả của việc gia cường, các thông số như vật liệu, trạng thái chịu lực
trước khi gia cường cần được phân tích kỹ lưỡng, nhất là việc xem xét tới ảnh
hưởng của đoạn không gia cường, mức độ gia cường (số lớp và loại vật liệu gia
cường) đến dạng phá hoại và sức chịu tải giới hạn của kết cấu. Vì phương pháp dán
lớp vật liệu gia cường composite thường được áp dụng ở bề mặt cấu kiện chịu kéo,

20. 2
nên việc này cũng đã làm gia tăng mật độ vật liệu chịu kéo nhiều hơn, dẫn tới việc
phân bố lại ứng suất biến dạng trong mặt cắt cấu kiện, và cụ thể là bê tông vùng
chịu nén có thể bị phá hoại giòn nếu số lớp vật liệu gia cường đủ dày. Do vậy, việc
xác định ứng xử của hệ thống kết cấu trước và sau khi gia cường dưới tác dụng của
tải trọng cũng như sức chịu tải của nó là rất cần thiết, không chỉ ảnh hưởng trực tiếp
đến việc lựa chọn mức độ và phương án gia cường mà còn giúp việc quản lý khai
thác được hiệu quả về kỹ thuật và kinh tế.
2. Mục đích nghiên cứu
Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng chịu lực của kết cấu bê tông
cốt thép được gia cường bằng tấm composite ứng dụng cho công trình thủy lợi. Đề
xuất cơ sở cho việc xây dựng qui trình và phương pháp tính toán thiết kế gia cường
kết cấu bê tông cốt thép bằng tấm composite.
3. Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu tài liệu: Nghiên cứu, phân tích các thông tin kỹ
thuật liên quan được công bố qua các tài liệu như sách, báo, tiêu chuẩn thiết kế… ở
trong và ngoài nước.
Phương pháp mô hình vật lý:
Mục đích của nghiên cứu thực nghiệm nhằm kiểm định đánh giá, so sánh kết
quả với tính toán bằng mô hình số, qua đó để khẳng định mô hình số hoàn toàn có
thể mô phỏng chính xác ứng xử của kết cấu gia cường bằng tấm composite.
Nghiên cứu thực nghiệm được tiến hành trên 6 dầm bê tông cốt thép kích
thước b x h x L = 150 x 250 x 3000 (mm) với các mức độ gia cường khác nhau; 2
bản bê tông cốt thép kích thước a x b x h = 600 x 1000 x 60 (mm). Ngoài ra các thí
nghiệm liên quan như nén mẫu bê tông, kéo thép, kéo mẫu composite cũng được
tiến hành. Theo quan điểm của tác giả, hình dạng, kích thước, cường độ bê tông và
điều kiện tải trọng như trình bày trong luận án có thể mô phỏng đúng điều kiện làm
việc của công trình thủy lợi.

21. 3
Phương pháp thực nghiệm hiện trường:
Phương pháp thực nghiệm hiện trường do tác giả thực hiện thông qua dự án
thử nghiệm khoa học đã khẳng định việc gia cường kết cấu composite cho công
trình thủy lợi là khả thi và có hiệu quả kinh tế kỹ thuật cao.
Trong khuôn khổ nghiên cứu của luận án, hai công trình điển hình cho kết cấu
công trình thủy lợi là cống lấy nước dưới đập thuộc hồ chứa nước Liệt Sơn, tỉnh
Quảng Ngãi được gia cường, theo dõi, đo đạc và đánh giá về chất lượng cũng như
hiệu quả của việc gia cường về mặt sức kháng, và đặc biệt về mặt điều kiện khai
thác; Luận án cũng tập trung phân tích một công trình cầu máng có kích thước rất
lớn về ứng xử cơ học cũng như lý giải những tồn tại của công trình trong giai đoạn
thi công, đánh giá sức kháng trong giai đoạn khai thác và đánh giá hiệu quả ứng
dụng giải pháp gia cường bằng tấm composite cho kết cấu cầu máng khẩu độ lớn.
Phương pháp thực nghiệm hiện trường là một phần quan trọng của luận án nhằm
khảo sát, đánh giá các công trình thật, có kích thước lớn nhằm kiểm định các kết
quả phân tích bằng phương pháp số cũng như các chất lượng tính toán mà luận án
thực hiện.
Phương pháp mô hình toán:
Sử dụng phần mềm chuyên dụng tính toán kết cấu bê tông cốt thép, với việc
lựa chọn mô hình làm việc hợp lý của các phần tử vật liệu cho kết cấu hỗn hợp như
phân tích trong luận án hoàn toàn có thể mô phỏng đúng đắn ứng xử của kết cấu bê
tông cốt thép gia cường bằng tấm composite.
Sau khi kiểm định mô hình với kết quả thực nghiệm, luận án tiếp tục sử dụng
phương pháp mô phỏng số để giải quyết các bài toán phức tạp hơn, mà mô hình vật
lý không thực hiện được.
4. Cách tiếp cận
Ứng xử của kết cấu bê tông cốt thép gia cường bằng tấm composite rất phức
tạp, nhưng chưa được nhiều người nghiên cứu như kết cấu bê tông cốt thép. Đặc
biệt, giải pháp này chủ yếu để gia cường cho kết cấu hiện hữu, do đó nó phụ thuộc
vào tình trạng hiện hữu của kết cấu như về ứng suất, biến dạng, cường độ bê tông,

22. 4
môi trường làm việc,… Luận án từng bước làm rõ các yếu tố ảnh hưởng theo sơ đồ
tiếp cận như sau.
5. Phạm vi và đối tượng nghiên cứu
Về đối tượng nghiên cứu: công trình thủy lợi bằng BTCT, các cấu kiện
dầm, tấm, bản.
Về bê tông và thép: bê tông và thép cường độ trung bình, thép dùng
trong công trình thủy lợi.
Về vật liệu gia cường: vật liệu tấm composite từ nhà sản xuất Fyfe với
chủng loại SEH-25A có bề dày 0,635mm, cường độ chịu kéo 521 MPa,
mô đun đàn hồi 26,1 GPa và độ dãn dài cực hạn 2%. Keo dính có
cường độ chịu kéo là 72,4 MPa, mô đun đàn hồi 3,18 GPa và độ dãn
dài 5,0%.
Ứng dụng để sửa chữa, nâng cấp công trình thủy lợi.

23. 5
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án
Kết cấu bê tông cốt thép công trình thủy lợi có những đặc điểm khác so với
công trình xây dựng và giao thông như: cường độ nén của bê tông khoảng từ
20MPa đến 40MPa, môi trường làm việc ẩm ướt, thường xuyên tiếp xúc với các tác
nhân xâm thực,…Do vậy cường độ bê tông suy giảm nhanh theo thời gian, kết cấu
bị hư hỏng dẫn đến tuổi thọ của công trình có xu hướng ngắn hơn tuổi thọ thiết
kế.Việc gia cường kết cấu bê tông cốt thép trong công trình thủy lợi là hết sức cần
thiết.
Với nhiều ưu điểm về hiệu quả kỹ thuật và công tác thi công, giải pháp gia
cường kết cấu bê tông cốt thép bằng tấm composite đã được ứng dụng ở nhiều nơi
trên thế giới và bước đầu đang được ứng dụng trong lĩnh vực giao thông, xây dựng
ở Việt Nam.Tuy nhiên, trong lĩnh vực kết cấu công trình thủy lợi thì việc nghiên
cứu ứng dụng giải pháp này còn để ngỏ. Là nghiên cứu tiên phong trong lĩnh vực
gia cường công trình thủy lợi ở Việt Nam với phương pháp dán tấm compotite, đề
tài luận án tập trung nghiên cứu ứng xử của kết cấu công trình thủy lợi BTCT trước
và sau gia cường nhằm làm rõ khả năng ứng dụng trong công trình thủy lợi với môi
trường nước (có độ ẩm cao), hiệu quả của phương pháp gia cường, phương pháp
tính toán kết cấu gia cường cũng như phạm vi áp dụng hiệu quả của phương pháp.
Kết quả nghiên cứu đóng góp cơ sở khoa học cho việc tiến tới xây dựng quy trình
tính toán thiết kế gia cường kết cấu BTCT bằng tấm composite cho các công trình
thủy lợi. Chính vì vậy mà vấn đề nghiên cứu của luận án có ý nghĩa khoa học và
thực tiễn cao.
7. Những đóng góp mới của luận án
1) Luận án đã xây dựng được quan hệ giữa khả năng chịu lực của kết cấu
(chuyển vị và tải trọng giới hạn) với mức độ gia cường khác nhau; đã xây dựng
quan hệ giữa khả năng chịu lực của kết cấu gia cường với các tham số ảnh hưởng
như: cường độ bê tông, hàm lượng cốt thép và chiều dày lớp bê tông bảo vệ.
2) Luận án đã đề xuất được công thức tính toán sức kháng cắt có xét tới
khoảng cách đoạn không gia cường cho kết cấu dạng tấm bản không cốt đai; công

24. 6
thức này cho phép quyết định phạm vi gia cường nhanh chóng và đơn giản hơn các
công thức hiện có.
3) Luận án đã ứng dụng kết quả nghiên cứu để gia cường kết cấu cho cống
dưới đập hồ Liệt Sơn, thi công trong điều kiện ẩm ướt, cường độ của bê tông thấp.
Luận án đã đề xuất các khuyến cáo kỹ thuật phục vụ cho việc xây dựng qui trình và
phương pháp tính toán thiết kế gia cường kết cấu bê tông cốt thép bằng tấm
composite ứng dụng cho công trình thủy lợi.
8. Bố cục của luận án
Bố cục của luận án, ngoài phần mở đầu, kết luận, tài liệu tham khảo và các
phụ lục, như sau:
Chương 1: Tổng quan về nghiên cứu gia cường kết cấu bê tông cốt thép bằng
tấm composite
Chương này trình bày về hiện trạng hư hỏng cũng như tính cấp thiết của việc
sửa chữa gia cường kết cấu bê tông cốt thép CTTL ở nước ta; tổng quan về một số
giải pháp gia cường kết cấu bê tông cốt thép trong đó tập trung vào phương pháp
dán lớp vật liệu composite; những tiến bộ trong nghiên cứu về ứng xử của kết cấu
gia cường mà trọng tâm là sự làm việc chung giữa các lớp vật liệu cũ và vật liệu gia
cường đã được thực hiện trong và ngoài nước.
Chương 2: Cơ sở khoa học của việc gia cường kết cấu bê tông cốt thép bằng
tấm compoiste.
Chương này trình bày những ứng xử cơ bản của vật liệu bê tông cốt thép và
nội dung của phương pháp số trong tính toán phân tích kết cấu BTCT. Để kiểm
nghiệm kết quả tính toán với phương pháp số, một số tính toán so sánh với kết quả
thực nghiệm được thực hiện. Mục đích của việc tính toán này là chứng minh mô
hình tính toán dự kiến sử dụng trong phạm vi luận án ở các chương tiếp theo là
đúng đắn và hoàn toàn có thể thích hợp khi phân tích các công trình có kích thước
trung bình và lớn dưới tác dụng của cả tải trọng tập trung và tải trọng phân bố.
Chương 3: Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả gia cường kết cấu
BTCT bằng tấm composite

25. 7
Trong phần này sẽ trình bày chương trình nghiên cứu thực nghiệm vật lý và
nghiên cứu mô phỏng số về ứng xử của kết cấu bê tông cốt thép gia cường bằng tấm
composite. Về nghiên cứu thực nghiệm, trình bày cơ sở để thiết kế các mẫu thí
nghiệm, nội dung thí nghiệm và các bố trí đo đạc. Về nghiên cứu mô phỏng số,
trình bày việc xây dựng các mô hình tính toán cũng như phương pháp mô phỏng số.
Các kết quả thu được từ thí nghiệm vật lý và mô phỏng số do nghiên cứu sinh thực
hiện sẽ được tổng hợp phân tích và so sánh. Ngoài ra, một số kết quả thí nghiệm
khác trên thế giới cho cấu kiện chịu tải trọng phân bố, cấu kiện có kích thước lớn,
điều mà trong khuôn khổ luận án không có điều kiện thực hiện được, cũng sẽ được
bổ sung nhằm đánh giá mô hình tính toán.Trên cơ sở đó khẳng định độ tin cậy của
phương pháp tính cho trường hợp kết cấu bê tông cốt thép được gia cường bằng tấm
composite cường độ cao, từ đó có thể tiến hành nghiên cứu ứng xử của kết cấu thực,
đặc biệt cho các dạng chịu lực mà trong khảo sát vật lý chưa thể tiến hành được.
Ngoài ra, chương này cũng trình bày kết quả nghiên cứu về sức kháng cắt của
cấu kiện dạng tấm bản, được gia cường chịu uốn bằng phương pháp dán lớp vật liệu
composite; đã xây dựng công thức tính sức kháng cắt nhằm giúp đơn giản hóa việc
tính toán.
Chương 4: Áp dụng kết quả nghiên cứu vào tính toán cho công trình thực tế
Tính toán gia cường kết cấu BTCT bằng tấm composite đòi hỏi những phân
tích đầy đủ để đạt được hiệu quả về mặt kỹ thuật - kinh tế. Chương này trình bày
quy trình tính toán gia cường kết cấu BTCT bằng tấm composite cho công trình
thủy lợi. Để minh họa cho việc tính toán này, hai công trình điển hình là cống ngầm
và cầu máng được lựa chọn với những tính toán cũng như đánh giá hiệu quả gia
cường.
Phần kết luận và kiến nghị: Tổng kết những nội dung chính, điểm mới và
các kiến nghị quan trọng của luận án.
Phần tài liệu tham khảo: 10 tài liệu bằng tiếng Việt, 77 tài liệu bằng tiếng
Anh đã được sử dụng để hoàn thành luận án.
Phần phụ lục: Trình bày các bảng biểu, kết quả khảo sát phân tích số, dữ liệu
thí nghiệm được sử dụng trong luận án.

26. 8
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU GIA CƯỜNG KẾT CẤU BÊ TÔNG
CỐT THÉP BẰNG TẤM COMPOSITE
Chương này trình bày tổng quan về hiện trạng hư hỏng kết cấu bê tông cốt
thép trong công trình thủy lợi (CTTL) ở nước ta, đồng thời về một số giải pháp gia
cường kết cấu bê tông cốt thép trong đó tập trung vào phương pháp dán lớp vật liệu
tấm composite cường độ cao. Những tiến bộ trong nghiên cứu về ứng xử của kết
cấu gia cường, trong đó trọng tâm là sự làm việc chung giữa các lớp vật liệu cũ và
vật liệu gia cường đã được thực hiện trong và ngoài nước.
1.1 Hiện trạng hư hỏng kết cấu bê tông cốt thép CTTL ở Việt Nam
1.1.1. Phân loại các cấu kiện BTCT trong CTTL:
* Phân loại cấu kiện BTCT theo mức độ sức huy động (khả năng chịu lực)
của vật liệu:
- Cấu kiện chịu uốn là cấu kiện cơ bản rất hay gặp trong thực tế xây dựng
công trình thuỷ lợi; đó là các dầm, bản của cầu máng, cống lấy nước dưới đê, đập,
kênh dẫn nước, dầm cầu công tác, giàn thả phai,...Các thành phần nội lực xuất hiện
trong cấu kiện chịu uốn gồm có mô men uốn và lực cắt. Về mặt hình dáng có thể
chia cấu kiện chịu uốn ra hai loại: bản và dầm. Các bản làm việc theo một phương
cũng được đưa về tính toán như dầm với bề rộng một đơn vị.
Phạm vi nghiên cứu của đề tài luận án chỉ đi sâu vào nghiên cứu cấu kiện bản
và dầm, chịu uốn thuần túy, và xuất hiện chủ yếu trong các CTTL sau:
+ Cống dưới đê đập (hở và kín);
+ Cầu máng mặt cắt chữ nhật (hở và kín);
+ Tường cánh, tường ngực;
+ Bản mặt trần cống, sàn cầu công tác, sàn tầng hầm nhà trạm bơm
tưới tiêu, cầu giao thông trên cống hoặc tràn;
+ Dầm chịu lực phổ biến như dầm cầu công tác, dầm thả phai, dầm
nhà trạm bơm tưới tiêu ...

27. 9
Trên cơ sở các số liệu thu thập được có thể đánh giá đặc điểm (hình dạng, lực
tác dụng, hình thức bố trí cốt thép) của các kết cấu bản và dầm đã được sử dụng
trong công trình thuỷ lợi ở trong nước như sau:
* Các kết cấu bản thuần tuý:
- Bản là kết cấu phẳng có chiều dầy khá bé so với chiều dài và chiều rộng.
Trong các kết cấu công trình thuỷ lợi, cụ thể là, đối với các kết cấu cầu máng loại
vừa và nhỏ, chiều dày bản (thành và đáy máng) biến động trong khoảng từ 8cm đến
15cm; nhịp máng biến đổi từ 8m đến 10m. Đối với những cầu máng có nhịp lớn từ
15m đến 20m, chiều dày đáy và thành máng biến đổi từ 40m đến 60cm (điển hình
như cầu máng tại K18+206 trên kênh chính Văn Phong - Hồ chứa nước Định Bình,
tỉnh Bình Định). Vật liệu bê tông thường có mác từ 200 -300.
- Lực tác dụng chủ yếu là áp lực ngang và đứng của nước, đất; ngoài ra còn
có tải trọng bản thân, tải trọng gió, người đi lại, ...
- Cốt thép trong bản gồm có cốt chịu lực và cốt phân bố bằng thép nhóm A-I,
đôi khi là thép A-II. Cốt chịu lực đặt trong vùng chịu kéo do mô men gây ra.Số
lượng cốt chịu lực được xác định theo tính toán và được thể hiện qua đường kính và
khoảng cách giữa hai cốt cạnh nhau. Khoảng cách giữa trục hai cốt thép chịu lực,
đặt trong vùng có mô men lớn, từ 15cm đến 20cm.
Như vậy, các kết cấu bản thuần tuý được sử dụng chủ yếu ở các loại công
trình: Cầu máng (thành và bản đáy), cống dưới đê đập (thành cống, trần cống, tường
ngực), sàn cầu công tác, sàn nhà trạm bơm tưới tiêu.
* Các kết cấu dầm thuần tuý:
- Dầm là cấu kiện mà chiều cao và chiều rộng của tiết diện ngang khá nhỏ so
với chiều dài của nó. Tiết diện ngang của dầm có thể là chữ nhật, chữ T, chữ I, hình
thang, hình hộp,... Thường gặp nhất là tiết diện chữ nhật và chữ T (phổ biến ở dầm
thả phai, dầm cầu công tác, dàn van ở các cống và tràn xả lũ, dầm tầng hầm, nhà
trạm bơm tưới tiêu). Nhịp dầm biến đổi từ 7m đến 9m, chiều cao dầm phụ thuộc
vào đặc điểm làm việc của từng dầm.
- Cốt thép trong dầm gồm có cốt dọc chịu lực, cốt dọc cấu tạo, cốt đai và cốt
xiên. Cốt dọc chịu lực đặt ở vùng kéo của dầm, đôi khi cũng có cốt dọc chịu lực đặt

28. 10
tại vùng nén. Diện tích tiết diện ngang của chúng được xác định theo mô men uốn.
Đường kính cốt dọc chịu lực thường từ d=10-25mm.
1.1.2. Hiện trạng hư hỏng kết cấu bê tông cốt thép trong CTTL:
Hiện trạng hư hỏng của các kết cấu bê tông cốt thép (BTCT) công trình thủy
lợi như: cống dưới đê đập, cầu máng dẫn nước, các đường hầm tuy nen,…sau một
thời gian sử dụng thường xuất hiện các vết nứt, rỗ bề mặt, bê tông bị bào mòn do
dòng chảy, xuất hiện các hiện tượng nhũ vôi, hoặc hư hỏng ở các bộ phận nối tiếp
giữa các kết cấu trong giai đoạn thi công. Có rất nhiều nguyên nhân gây ra vết nứt
và hư hỏng như do co ngót, từ biến, cường độ chịu kéo kém của bê tông hoặc do
chất lượng thi công kém… Hậu quả là xuất hiện dòng thấm, rò rỉ qua công trình,
làm suy giảm khả năng chịu lực của công trình, và dẫn đến làm ảnh hưởng đến mức
độ an toàn và quá trình khai thác, vận hành của công trình. Mặt khác, hiện nay việc
nâng cấp, sửa chữa công trình đầu mối thủy lợi là một yêu cấp thiết đặt ra. Cụ thể
là: gia cường kết cấu bê tông cốt thép của các công trình cống dưới đê, đập, các kết
cấu cầu máng, công trình trên hệ thống kênh tưới,…; xử lý chống thấm tại các vết
nứt, các vị trí khớp nối, khe co dãn bị hư hỏng… của các cống dưới đê đập. Ở nước
ta, có khoảng 7000 hồ chứa nước thủy điện và thủy lợi đã được xây dựng; trong đó,
số lượng công trình được xây dựng cách đây từ 20-30 năm chiếm khoảng 80% và
hầu hết các cống dưới đập đã có biểu hiện xuống cấp từ nhẹ đến nặng; mặt khác,
đối với kết cấu cống dưới đê, đập, do nhu cầu nâng cấp mở rộng mặt cắt đê, đê kết
hợp giao thông, hay các hồ chứa cần nâng cao trình đập để tăng dung tích trữ, làm
gia tăng tải trọng lên công trình dẫn đến yêu cầu về sửa chữa, gia cường cống dưới
đê đập ngày càng lớn. Do đặc điểm về địa lý, mức độ xâm thực của môi trường ở
nước ta là rất lớn;theo một số nghiên cứu cho thấy hầu hết các công trình vùng ven
biển đều bị ăn mòn phá hủy ở mức độ trung bình đến nặng, các công trình đều bị
xuống cấp do sự ăn mòn phá hủy sau khoảng 5-10 năm đưa vào sử dụng [1]. Đây là
một thách thức lớn trong việc giải quyết bài toán kinh tế - kỹ thuật và làm nhức nhối
các kỹ sư xây dựng, các nhà nghiên cứu cũng như các nhà quản lý công trình ở
nước ta. Ngoài các công trình cống dưới đập, các công trình thủy lợi khác bằng bê

29. 11
tông cốt thép như công trình cầu máng dẫn nước, các dàn van, cầu công tác trên
cống, dầm sàn nhà trạm bơm tưới tiêu, … với số lượng hàng nghìn chiếc cũng đang
trong tình trạng xuống cấp; kết cấu bị nứt, rỗ, bong tróc, bê tông thấm nước làm suy
giảm sức chịu tải, ảnh hưởng đến điều kiện làm việc bình thường của công trình
(hình 1.1a, b, c). Như vậy, nhu cầu sửa chữa, nâng cấp các công trình cống dưới đê
đập nói riêng, các kết cấu bê tông cốt thép trong công trình thủy lợi nói chung là rất
lớn.
Hình 1.1a.Bê tông bị ăn mòn (h. trái) và nứt vỡ dàn van cống (h. phải) Cổ Tiêu
Hình 1.1b.Bê tông thành cầu máng bị nứt vỡ khi chịu tải trọng – Cầu máng trên
kênh tưới hồ Tà Keo – Lạng Sơn

30. 12
Hình 1.1c. Bê tông cống bị tróc rỗ bề mặt (h. trái) và nhũ vôi, đùn rỉ thép (h. phải) –
Cống lấy nước dưới đập thuộc hồ chứa nước Liệt Sơn, tỉnh Quảng Ngãi
Nói chung, việc gia cường kết cấu BTCT công trình thủy lợi nhằm đảm bảo
hai nội dung sau:
Gia cường đảm bảo khả năng chịu lực: đối với các công trình có sự giảm sút
về mặt sức kháng, như diện tích cốt thép bị giảm do rỉ, liên kết giữa cốt thép chịu
lực và bê tông không được chặt chẽ, công trình chịu tải trọng gia tăng so với thiết kế
ban đầu, công trình có những sai sót trong quá trình thi công nên làm giảm sức chịu
lực của kết cấu,…
Gia cường đảm bảo điều kiện khai thác: các công trình mà sau một thời gian
sử dụng không đảm bảo điều kiện làm việc bình thường như bong bật, bào mòn của
lớp bê tông bảo vệ, rò rỉ, xâm thực của nước trong các khe nứt, cốt thép trong bê
tông bị phồng rộp do bị xâm thực trong môi trường nước, biến dạng của kết cấu lớn
hơn so với yêu cầu, …

31. 13
Trong công trình thủy lợi, do kết cấu thường có kích thước lớn, chịu lực theo
nhiều phương, thường xuyên tiếp xúc với môi trường xâm thực mạnh, nên kết cấu
sau một thời gian nhất định thì điều kiện khai thác thường không đảm bảo, mặc dù
vẫn đảm bảo điều kiện chịu lực. Những công trình có nhu cầu gia cường để đảm
bảo khả năng chịu lực thường là các công trình có hoạt tải thay đổi nhiều, với trị số
lớn.Ví dụ như các công trình cầu máng với tải trọng nước chiếm tỷ lệ lớn, bên cạnh
tải trọng bản thân của kết cấu.
1.2 Một số phương pháp gia cường kết cấu bê tông cốt thép
1.2.1 Tóm tắt về một số phương pháp gia cường kết cấu
Có nhiều phương pháp gia cường kết cấu. Một trong những phương pháp hiệu
quả là việc bổ sung một lớp bê tông đổ tại chỗ ở vùng chịu nén hoặc bê tông cốt thép
có hàm lượng cốt thép cao ở vùng chịu kéo của mặt cắt kết cấu để gia tăng cánh tay
đòn hay khoảng cách giữa trọng tâm vùng bê tông chịu nén và trọng tâm cốt thép
vùng chịu kéo. Điều này sẽ mang lại một khả năng chịu lực uốn lớn hơn cho kết cấu.
Ngoài ra, phương pháp này thường kết hợp với việc bổ sung thêm cốt thép và phun
vữa bê tông bảo vệ ở vùng chịu kéo. Tuy nhiên, giải pháp này dẫn tới việc làm tăng
đáng kể trọng lượng cũng như chiều cao của kết cấu. Việc thi công cũng không được
sạch sẽ và tạo tiếng ồn cũng như tác động tới môi trường. Một phương pháp nổi bật
nữa là việc sử dụng cáp dự ứng lực ngoài. Theo đó, một số ụ neo được làm mới và
gắn vào kết cấu cần gia cường. Các cáp dự ứng lực ngoài được kéo và neo vào các ụ
neo này. Việc gia cường bằng phương pháp sử dụng dự ứng lực ngoài thường áp
dụng cho các cấu kiện có kích thước lớn, ví dụ như dầm cầu, sàn nhà khẩu độ lớn, và
được thực hiện ở vùng chịu kéo do lực dọc và mô men. Ưu nhược điểm chính của
một số phương pháp gia cường kết cấu được trình bày ở bảng 1.1.
Bảng 1.1: Ưu nhược điểm của các phương pháp gia cường kết cấu
Phương
pháp
Ưu điểm Nhược điểm
Bổ sung Thi công đơn giản, lớp bê Thời gian thi công lâu, bắt buộc phải

32. 14
thêm lớp
bê tông cốt
thép vào
kết cấu
tông cốt thép thêm mới liên
kết tương đối tốt đối với lớp
bê tông cũ, chống thấm tốt,
khắc phục được các khiếm
khuyết hư hại của lớp bê tông
bảo vệ của cấu kiện chịu lực,
tuổi thọ cao, hiệu quả kỹ thuật
cao đối với việc gia cường
vùng bê tông chịu nén
thi công đổ tại chỗ, việc thi công dễ
gây tác động tới môi trường,đòi hỏi
nhiều lao động và máy móc, làm gia
tăng tải trọng bản thân của kết cấu
chịu lực; đối với các công trình liên
quan tới tĩnh không và thoát nước thì
phương pháp này thường làm thu hẹp
mặt cắt thoáng cũng như làm giảm
khả năng thoát nước của công trình
Dự ứng
lực ngoài
Thích hợp cho việc gia cường
vùng chịu kéo, đặc biệt cho
kết cấu chịu uốn, hiệu quả kỹ
thuật rất cao
Việc thi công đòi hỏi trình độ kỹ
thuật cao cũng như các tính toán
chính xác, cáp dự ứng lực ngoài đòi
hỏi phải được bảo vệ và kiểm soát an
toàn trong quá trình khai thác, đôi
khi khó khăn trong việc thiết kế các ụ
neo cũng như các ụ chuyển hướng
Dán bản
thép
Thích hợp cho việc gia cường
kết cấu chịu uốn, có hiệu quả
kỹ thuật cao, không làm tăng
chiều cao kiến trúc của kết
cấu, không làm thu hẹp tĩnh
không của công trình
Việc thi công phức tạp, lớp thép bên
ngoài dễ bị rỉ và những tổn hại khác
do tác động của môi trường dẫn tới
tuổi thọ khai thác có thể giảm nhanh
1.2.2 Phương pháp gia cường kết cấu bằng tấm composite
Trước đây khoảng 40 năm người ta đã biết đến việc gia cường sức kháng uốn
của kết cấu bằng phương pháp dán bản thép. Do kết cấu thép dễ bị rỉ nên sau một
thời gian khai thác, lực bám dính suy giảm, dẫn đến kết cấu làm việc không được an
toàn. Khoảng 20 năm gần đây, việc sử dụng vật liệu gia cường cốt sợi các bon và
thủy tinh đã thay thế dần các bản thép. Các tấm vật liệu tổng hợp này được chế tạo
từ các cốt sợi phi kim loại cường độ cao (chiếm khoảng 70% thể tích) kết hợp với

33. 15
keo epoxi. Trong các vật liệu cốt sợi thì vật liệu sợi các-bon có các đặc tính tốt hơn
về cường độ chịu lực cũng như mô đun đàn hồi so với các vật liệu cốt sợi khác như
thủy tinh và aramid (hình 1.2).
Hình 1.2: Ứng suất-biến dạng của vật liệu cốt sợi các bon và sợi thủy tinh
Các nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm trước đây về giải pháp gia cường sức
kháng uốn của kết cấu với các tấm vật liệu cốt sợi các bon được thực hiện ở nhiều
nơi, điển hình là ở Thụy Sỹ. Ngày nay thì các tấm gia cường composite này được
sản xuất phổ biến ở Tây Âu, Nhật, Nam Mỹ,..
So sánh với các phương pháp gia cường truyền thống, sử dụng tấm vật liệu
composite thể hiện nhiều lợi thế. Vật liệu composite có ưu điểm là nhẹ, không bị rỉ
và có cường độ chịu kéo cao. Hơn nữa, những vật liệu này có thể được thi công
nhanh chóng theo một số hình dạng tạo thành các tấm composite có thể uốn cuộn
phù hợp với các bề mặt của cấu kiện. Các tấm vật liệu composite có bề dày tương
đối mỏng có thể thỏa mãn yêu cầu về mặt kiến trúc cũng như những tiêu chí khác
liên quan. Việc thi công không phức tạp, thiết bị thi công gọn nhẹ. Ngoài ra, chiều
cao kết cấu được giữ nguyên và tĩnh tải gia tăng không bị ảnh hưởng. Gia cường
bằng vật liệu composite cũng có những điểm hạn chế như: so với giải pháp gia
cường bằng các tấm thép thì vật liệu này đắt hơn; việc thi công cũng đòi hỏi người
có kỹ thuật cao; không thích hợp cho kết cấu chịu nhiệt vì dưới tác dụng của nhiệt
độ cao các keo dính có nhiều vấn đề.
Glass FRP
Thép
Carbon FRP
1000
500
0.015 0.03
Biến dạng
Ứngsuất(MPa)
0

34. 16
Hình 1.3 thể hiện tấm composite được dán vào mặt ngoài tại các vị trí cần
thiết của kết cấu dầm bê tông để làm tăng khả năng chịu uốn.
Hình 1.3: Gia cường kết cấu dầm bê tông cốt thép để tăng khả năng chịu uốn
Hình 1.4 thể hiện biện pháp gia cường khả năng kháng cắt cho cấu kiện có
tiết diện tròn hoặc chữ nhật bằng cách dán vật liệu tấm composite xung quanh cột
hoặc dán 2 đầu dầm tại các vị trí lực cắt lớn.
Hình 1.4. Gia cường kết cấu dầm, cột bê tông cốt thép để tăng khả năng chịu cắt
Dầm tăng cường
khả năng chịu cắt
Cột tăng cường
khả năng chịu cắt
Tăng cường khả năng
chịu moment âm
Tăng cường khả năng
chịu moment dương

35. 17
1.2.3 Vật liệu composite dùng trong gia cường
1.2.3.1 Đặc tính cấu tạo của tấm composite
a) Nhựa nền
Chất kết dính được sử dụng để gắn kết tấm vật liệu composite và bề mặt bê
tông của cấu kiện. Chất kết dính cung cấp đường dẫn tải trọng cắt giữa bề mặt bê
tông và hệ thống gia cường tấm vật liệu composite. Chất kết dính cũng được sử
dụng để gắn các lớp vật liệu composite lại với nhau. Vật liệu kết dính được dùng là
keo epoxi, polyester không no hoặc tương tự. Để đóng rắn nhựa nền các chất xúc
tác được sử dụng theo hàm lượng phù hợp.
b) Cốt sợi
Các cốt sợi thủy tinh, aramid và các bon thường được sử dụng với hệ thống
gia cường bằng vật liệu composite. Các cốt sợi này giúp cho hệ thống gia cường về
mặt cường độ và độ cứng.
e) Lớp áo bảo vệ
Lớp áo bảo vệ giúp giữ gìn cốt vật liệu gia cường đã được kết dính khỏi các
tổn hại tiềm năng do tác động môi trường và cơ học. Lớp bảo vệ được sử dụng ở bề
mặt ngoài của hệ thống gia cường; Chúng bao gồm keo epoxy hoặc tương tự, hệ
thống kết dính, lớp bảo vệ chống cháy, tạo màu sắc thẩm mỹ,...
Như vậy, độ bền cũng như khả năng chịu lực của vật liệu composite sẽ phụ
thuộc chủ yếu vào các thành phần chính sau:
- Vật liệu tạo cốt sợi
- Nhựa nền, có thể pha thêm chất độn
- Keo dính giữa lớp vật liệu gia cường và bề mặt bê tông
Ngoài ra, cách gia cố, cách bố trí vật liệu cũng có ảnh hưởng tới hiệu quả của
việc gia cường.
1.2.3.2 Đặc tính vật lý của vật liệu composite
a) Khối lượng riêng
Vật liệucompositecó khối lượng riêng trong khoảng từ 1,2 tới 2,1 g/cm3
, theo
đó nhỏ hơn thép từ 4 đến 6 lần tùy thuộc vào loại cốt sợi hoặc chất độn. Việc giảm

36. 18
khối lượng riêng giúp giảm giá thành vận chuyển, giảm phần tĩnh tải gia tăng của
kết cấu và có thể dễ dàng xử lý vật liệu ở công trường.
Bảng 1.2: Khối lượng riêng của các loại vật liệu composite (g/cm3
) [11]
Thép Cốt sợi thủy
tinh
Cốt sợi các
bon
Cốt sợi
aramid
7,9 1,2 – 2,1 1,5 – 1,6 1,2 – 1,5
b) Hệ số dãn nở nhiệt
Hệ số dãn nở nhiệt của vật liệu composite chịu lực mỗi chiều khác nhau theo
phương dọc và ngang tùy thuộc vào kiểu loại cốt sợi, cách dệt, loại nhựa nền và tỷ
lệ cốt sợi.
Bảng 1.3: Hệ số dãn nở nhiệt của các loại vật liệu composite [11]
Thép Hệ số dãn nở nhiệt (× 10-6
/°C)
GFRP CFRP AFRP
Theo chiều dọc, L 6 tới 10 –1 tới 0 –6 tới –2
Theo chiều ngang, T 19 tới 23 22 tới 50 60 tới 80
Ghi chú: đây là các giá trị điển hình đối với hàm lượng thể tích cốt
sợi thay đổi trong phạm vi 0,5 tới 0,7
c) Ảnh hưởng của nhiệt độ cao
Phụ thuộc vào nhiệt độ giới hạn của vật liệu kết dính Tg, mô đun đàn hồi của
vật liệu polymer bị giảm đáng kể do sự thay đổi cấu trúc vật liệu của nó. Giá trị của
Tg phụ thuộc vào dạng chất dính kết nhưng thông thường nằm trong khoảng từ 60°C
tới 82°C. Các kết quả thí nghiệm cho thấy, ở nhiệt độ 250°C (cao hơn nhiều so với
nhiệt độ giới hạn Tg của vật liệu kết dính) sẽ làm giảm cường độ chịu kéo của các
vật liệu cốt sợi thủy tinh cũng như của các vật liệu cốt sợi các bon tới 20%. Các đặc
tính khác bị tác động bởi sự truyền lực cắt qua phần vật liệu kết dính, chẳng hạn
như cường độ chịu uốn, sẽ bị giảm ở nhiệt độ thấp.
Lực dính bám mặt tiếp xúc giữa bê tông và vật liệu composite là rất quan
trọng. Ở nhiệt độ gần với giá trị nhiệt độ tới hạn của vật liệu kết dính Tg, các đặc

37. 19
tính cơ học của vật liệu composite bị giảm nhiều và mất khả năng chuyển đổi ứng
suất từ bê tông sang vật liệu gia cường.
1.2.3.3 Đặc tính cơ học
a) Cường độ chịu kéo
Ứng xử kéo của vật liệu này được biểu diễn bằng quan hệ ứng suất - biến dạng
đàn hồi tuyến tính đến khi bị phá hoại, và trong trường hợp này sự phá hoại là đột
ngột và giòn (xem hình 1.2).
Cường độ chịu kéo và độ cứng của vật liệu cốt sợi composite phụ thuộc vào
nhiều tham số. Vì các sợi là thành phần chịu tải chính, nên kiểu cốt sợi, chiều sắp
xếp của cốt sợi, lượng cốt sợi và phương pháp cũng như điều kiện chế tạo cốt sợi
ảnh hưởng tới đặc tính chịu kéo của vật liệu này.
b) Ứng xử nén
Mô đun đàn hồi nén thường nhỏ hơn so với mô đun đàn hồi kéo. Các kết quả
thí nghiệm với composite cốt sợi thủy tinh hàm lượng 55-60% trên nền nhựa
polyester cho thấy mô đun đàn hồi có giá trị trong khoảng từ 34000 Mpa đến 48000
MPa. Mô đun đàn hồi nén xấp xỉ 80% mô đun đàn hồi kéo đối với vật liệu GFRP,
85% đối với CFRP và 100% đối với AFRP[11].
1.2.3.4 Ứng xử theo thời gian của kết cấu sau gia cường
a) Phá hoại do từ biến
Vật liệu composite chịu một tải trọng là hằng số sau một thời gian có thể bị
phá hủy. Thời gian này được gọi là tuổi thọ của vật liệu. Dạng phá hoại này được
gọi là phá hoại từ biến. Tuổi thọ giảm trong điều kiện môi trường nhiệt độ tăng, tác
động của tia tử ngoại, hoặc chịu tác động khô ẩm liên tục.
Cốt sợi các bon ít bị phá hoại do từ biến ít nhất. Cốt sợi aramid ở mức trung
bình và cố sợi thủy tinh có nguy cơ cao nhất. Các nghiên cứu về phá hoại từ biến
được thực hiện với cốt sợi thủy tinh, aramid và các bon với nhiều mức tải trọng
khác nhau ở nhiệt độ phòng cho thấy có quan hệ tuyến tính giữa cường độ phá hoại
do từ biến và logarithm của thời gian. Tỷ số ứng suất tại thời điểm phá hoại sau 50
năm so với ứng suất tới hạn khởi điểm của vật liệu GFRP, AFRP và CFRP lần lượt
khoảng 0,3, 0,5 và 0,9.

38. 20
b) Phá hoại do mỏi
Các thí nghiệm cho thấy vật liệu composite có độ bền tương tự như các vật
liệu kim loại[11]. Để đảm bảo tuổi thọ mỏi trong khai thác, biên độ ứng suất trong
vật liệu dưới tác dụng của tải trọng thường được khống chế. Nhờ vật liệu có cường
độ chịu kéo cao, nên những yêu cầu về độ bền mỏi dễ dàng được đảm bảo.
1.2.4 Các dạng phá hoại chính của kết cấu sau gia cường bằng phương
pháp dán lớp vật liệu composite
Các dạng phá hoại sau đây cần được khảo sát đối với mặt cắt cấu kiện được
gia cường bằng tấm composite.
Sự phá hoại của bê tông trong vùng nén trước khi cốt thép trong vùng
chịu kéo bị chảy;
Sự chảy dẻo của thép trong vùng chịu kéo ngay sau khi xảy ra sự phá
hoại của tấm gia cường;
Sự chảy dẻo của thép trong vùng chịu kéo sau khi có sự phá hoại của bê
tông vùng chịu nén;
Sự bóc tách của lớp bê tông bảo vệ, và
Sự bóc tách của lớp vật liệu gia cường khỏi bề mặt bê tông.
Phá hoại do nén của bê tông được giả định là xảy ra nếu biến dạng nén trong
bê tông đạt tới giá trị biến dạng giới hạn ( c = cu = 0,003) [11]. Phá hoại từ lớp gia
cường được giả định là xảy ra khi biến dạng của lớp gia cường đạt tới giá trị biến
dạng tới hạn ( f = fu) trước khi bê tông đạt tới biến dạng cực hạn.
Sự bóc tách của lớp bê tông bảo vệ hoặc của lớp vật liệu gia cường xảy ra nếu
lực trong lớp gia cường vượt qua khả năng chịu đựng của liên kết bề mặt. Với kết
cấu được gia cường lớp ngoài bằng vật liệu composite, phá hủy do sự bóc tách có
thể là chủ yếu (hình 1.4b). Để tránh những dạng phá hủy do bóc tách bởi các vết nứt
xiên, biến dạng giới hạn của vật liệu gia cường không được vượt quá giới hạn mà sự
bóc tách có thể xảy ra, fd. Theo ACI 440.2R-08 (2008) [11] thì giá trị này được xác
định như sau:

39. 21
(1.1)
Trong đó: là biến dạng giới hạn của cốt vật liệu gia cường.
là biến dạng phá hoại của lớp vật liệu gia cường
là cường độ bê tông chịu nén
là mô đun đàn hồi của lớp vật liệu gia cường
là bề dày một lớp vật liệu gia cường
là số lớp vật liệu gia cường
Cũng theo ACI 440.2R-08 (2008), dựa vào kết quả nghiên cứu của Hassan và
Rizkalla (2003), De Lorenzis (2004) và Kotynia (2005), giá trị biến dạng thiết kế
của tấm gia cường có thể được lấy là fd ≤ 0,7 fu. Để đảm bảo phá hoại xảy ra theo
dạng này, thì chiều dài dính bám phải lớn hơn một giá trị tính toán.
a) Ứng xử của cấu kiện bê tông chịu uốn được gia cường
b) Sự bóc tách của lớp gia cường do
vết nứt uốn hoặc cắt
c) Sự bóc tách của lớp bê tông và
vật liệu gia cường
Hình 1.5: Các dạng phá hoại điển hình của cấu kiện chịu uốn được gia cường
bằng tấm composite [11]

40. 22
1.3 Tình hình nghiên cứu về gia cường kết cấu BTCT bằng tấmcomposite
Phương pháp gia cường bằng cách dán tấm composite được phát triển nhằm
thay thế cho phương pháp dán bản thép (thường được sử dụng trong công tác gia
cường kết cấu công trình cầu). Do ưu điểm vượt trội về khả năng thi công với nhiều
hình dạng bề mặt kết cấu nên phương pháp này còn được ứng dụng cho nhiều công
trình khác như nhà cửa và các công trình dân dụng khác. Đối với công trình thủy
lợi, do đặc điểm làm việc trong môi trường nước nên độ ẩm trong kết cấu rất cao,
chất keo dính thông thường không đáp ứng được trong môi trường độ ẩm như vậy,
nên việc ứng dụng trong công trình thủy lợi rất hạn chế vì chỉ có rất ít sản phẩm đáp
ứng được điều kiện này. Có rất ít thông tin trình bày về việc ứng dụng phương pháp
gia cường này trong công trình thủy lợi.
1.3.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới
Ứng xử của kết cấu sau khi được gia cường rất phức tạp, vì nó phụ thuộc vào
trạng thái làm việc trước đó của kết cấu. Ngoài ra, đối với các cấu kiện bằng bê tông
cốt thép, các yếu tố như từ biến, co ngót, phi tuyến vật liệu và ảnh hưởng của các
vết nứt làm cho ứng xử của kết cấu càng thêm phức tạp. Như vậy, trạng thái làm
việc của kết cấu sau khi gia cường dựa trên sự tích lũy ứng suất biến dạng của kết
cấu trước đó và cả sự phân bố lại độ cứng khi tấm gia cường tham gia chịu lực. Do
bê tông trong cấu kiện bị suy giảm về cường độ, nên việc gia cường với mật độ quá
ít hay quá nhiều đều dẫn đến trạng thái phá hoại mới của kết cấu có thể bất lợi và
không hiệu quả trong công tác gia cường. Việc xác định mức độ gia cường hợp lý là
một vấn đề quan trọng quyết định tính hiệu quả của phương pháp này. Trong hướng
dẫn thiết kế và thi công kết cấu gia cường bằng tấmcomposite có đề cập đến việc
giảm tính dẻo của kết cấu bê tông cốt thép và chuyển sang khả năng phá hoại giòn
(khi cốt thép chưa đạt đến giới hạn chảy) [11]. Đây là một trong dạng phá hoại nguy
hiểm và do vậy cần được kiểm soát.
Cũng trong hướng dẫn gia cường bằng tấm composite ACI 440.2R-08 [11], vì
tính phức tạp của ứng xử chịu tải của kết cấu được gia cường nên có một số điểm
trong tính toán thiết kế thông thường đã được bỏ qua nhằm đơn giản hóa việc tính
toán, ví dụ như các điều kiện trong trạng thái giới hạn sử dụng về chuyển vị và bề

41. 23
rộng vết nứt của bê tông vùng chịu kéo. So với kết cấu sử dụng cốt thép bình
thường, việc gia cường bằng tấm composite đã làm thay đổi ứng xử của bê tông
vùng chịu kéo làm xuất hiện hiệu ứng chịu kéo kết hợp giữa bê tông - cốt thép - tấm
composite (effect of tension stiffening). Hiệu ứng này phụ thuộc vào trạng thái biến
dạng của thớ chịu kéo và thể hiện tính phi tuyến ứng xử của kết cấu bê tông cốt thép
được gia cường bằng tấm composite. Cho tới nay, chỉ có rất ít nghiên cứu liên quan
đến vấn đề này [33]. Việc xác định được ứng xử này một cách đầy đủ vẫn còn là
một thách thức.
Một trong số dạng phá hoại điển hình của kết cấu bê tông cốt thép gia cường
bằng tấm composite là sự bóc tách của tấm gia cường khỏi bề mặt cấu kiện. Nó phụ
thuộc vào chất lượng keo dính, độ nhám và chất lượng bê tông bề mặt cấu kiện
vùng gia cường và cường độ tải trọng. Khi kết cấu bị nứt xiên do lực cắt, chuyển vị
không bằng nhau của hai phần cạnh vết nứt có thể tạo ra lực gây tách tấm gia cường
và dẫn đến kết cấu bị phá hoại. Có nhiều nghiên cứu về vấn đề này có thể tìm thấy ở
[15, 22, 23, 24, 30, 31, 43, 44, 45, 60, 62, 63, 64, 76, 82]; Trong đó, [15][23] sử
dụng phương pháp cơ học phá hủy để giải thích hiện tượng bóc tách của tấm
composite; [22] nghiên cứu ảnh hưởng của sự dính bám trong kết cấu bê tông được
gia cường bằng các tấm thép và tấm cốt sợi cường độ cao; [31] trình bày một số thí
nghiệm đánh giá ứng xử liên kết của bê tông và lớp vật liệu composite. Tuy nhiên,
tất cả các nghiên cứu này chưa đề cập sâu tới ảnh hưởng của các giai đoạn chịu tải
của kết cấu gia cường mà cụ thể là sự chuyển tiếp giữa trạng thái trước và sau khi
gia cường.
Marfia, Sacco và Toti (2011) đã giới thiệu một mô hình kết hợp giữa các dạng
phá hoại của kết cấu gia cường [47], Panigrahi (2010) dùng mô hình PTHH 3 chiều
để mô phỏng lớp keo dính bám [65].
Để mô phỏng ứng suất kéo của bê tông có xét đến tương tác dính bám với lớp
gia cường, Ebead và Marzouk (2005) đã dùng chương trình phân tích PTHH
ABAQUS tính lại các kết quả thí nghiệm của bản bê tông cốt thép gia cường bằng
tấm composite. Trên cơ sở đó xây dựng một mô hình quan hệ giữa ứng suất-biến
dạng của vùng bê tông chịu nén dưới dạng hai lần tuyến tính [33]. Các hệ số để xác

42. 24
định các giá trị cực trị của ứng suất biến dạng cho vùng này cũng được xác định từ
khảo sát số, tuy nhiên chúng không mang tính tổng quát và không thể sử dụng cho
các trường hợp tính toán khác được.
Lớp gia cường bằng vật liệu composite không chỉ được dùng cho phần chịu
kéo của kết cấu mà còn có thể dùng như cốt đai giúp cho việc gia tăng sức chịu tải
nén do hiệu ứng nén kiềm chế.Các kết cấu chịu nén lớn như cột bê tông cốt thép,
việc hạn chế biến dạng nở hông có thể làm tăng sức chịu tải của kết cấu. Khi có cốt
đai được đặt trong cấu kiện cột, tải trọng theo phương dọc được phân bố lại cả theo
phương ngang lên các cốt đai. Khi gia cường sức chịu tải của kết cấu cột bằng tấm
composite cũng dựa vào hiệu ứng nén kiềm chế này; lớp gia cường được dán xung
quanh cột với thớ sợi chịu lực đặt theo phương chu vi cột; lớp gia cường lúc này
đóng vai trò như là cốt đai ngăn cản biến dạng nở hông của cột. Nghiên cứu về các
tác dụng này có thể tìm thấy ở [58]. Ở đây, thông qua thí nghiệm, các tác giả đã
khẳng định có sự tham gia của lớp vật liệu gia cường trong quá trình hình thành và
phát triển hiệu ứng nén kiềm chế. Mức độ gia tăng cường độ bê tông do nén kiềm
chế tỷ lệ với mức độ gia cường. Ngoài ra, kích thước của mặt cắt cũng ảnh hưởng
tới hiệu quả của việc gia cường. Mặt cắt có kích thước lớn thường huy động được
nhiều biến dạng ngang theo chu vi và do vậy lớp gia cường làm việc hiệu quả hơn.
Để đảm bảo yêu cầu làm việc lâu dài của kết cấu sau khi gia cường thì liên kết
giữa bê tông và lớp gia cường cần được ổn định và đủ bền trong thời gian khai thác
mong muốn. Đối với các kết cấu chịu tải trọng lặp nhiều lần hoặc với cường độ tải
trọng thay đổi lớn, sự dính bám giữa bê tông và cốt thép cũng như độ bền mỏi của
bản thân vật liệu gia cường sẽ quyết định tuổi thọ của kết cấu. Nghiên cứu về sự phá
hủy ở trạng thái giới hạn về cường độ do mỏi có thể tìm thấy ở [82]; các tác giả sử
dụng phương pháp số để mô phỏng sự làm việc của kết cấu gia cường bằng lớp vật
liệu composite chịu tải trọng lặp. Kết quả cho thấy, kết cấu gia cường đảm bảo độ
bền mỏi dưới tác dụng của tải trọng với biên độ dao động thông thường.
Ngoài ra, các ứng xử phụ thuộc thời gian như ảnh hưởng của từ biến, co ngót
của lớp kết dính cũng đã được nghiên cứu [25]. Những ảnh hưởng này không tác
động nhiều tới sự làm việc chung của kết cấu, vì khi gia cường, lớp bê tông chịu lực

43. 25
thường đã có thời gian đủ dài được khai thác và bản thân nó đã ổn định về các biến
dạng từ biến và co ngót. Lớp kết dính có bề dày rất nhỏ và có cường độ chịu kéo
cao hơn nhiều so với bê tông, sự suy giảm liên kết do co ngót của lớp này sẽ tạo ra
sức chịu kéo trong lớp gia cường không đủ làm cho kết cấu bị phá hoại.
Như vậy, có thể thấy phương pháp gia cường kết cấu bê tông cốt thép bằng
cách dán lớp composite nhận được nhiều sự quan tâm trong các nghiên cứu ứng
dụng, đặc biệt đối tượng ứng dụng chủ yếu là công trình cầu hầm và xây dựng dân
dụng. Các nghiên cứu tập trung vào từng khía cạnh ứng xử chịu lực cũng như độ
bền của lớp gia cường. Các thí nghiệm khảo sát sức chịu tải của kết cấu sau khi gia
cường thông thường được thực hiện với các dầm chịu uốn đơn giản chịu tải trọng
tập trung một điểm hoặc hai điểm. Thí nghiệm với tải trọng phân bố ít được sử dụng
vì hệ thống điều khiển quá trình chất tải rất phức tạp. Mô hình thí nghiệm tải trọng
phân bố với các bao khí bơm ép đều cho tiếp xúc với bề mặt cấu kiện hay được lựa
sử dụng. Dù sử dụng phương pháp nào thì việc thiết kế hệ thống thí nghiệm tải
trọng phân bố là không đơn giản và đòi hỏi nhiều thiết bị phức tạp cũng như chi phí
rất tốn kém. Đây là một hạn chế trong công tác thí nghiệm mà không dễ dàng khắc
phục theo hướng trực tiếp được.
1.3.2 Tình hình nghiên cứu ở trong nước
Mặc dù phương pháp gia cường kết cấu bê tông cốt thép bằng cách dán lớp vật
liệu có cường độ cao như bản thép đã được ứng dụng ở Việt Nam cho nhiều công
trình cầu và một vài công trình nhà, nhưng các nghiên cứu về phương pháp dán bản
thép (và gần đây là dán tấm vật liệu composite) mới chỉ dừng ở mức độ hạn chế.
Các tài liệu đã được công bố chủ yếu mang tính chất giới thiệu và cung cấp thông
tin kết quả nghiên cứu của nước ngoài như [2][3][4][7][9][10]. Nguyễn Việt Hùng
và Lưu Quang Thìn [5] trình bày mô hình tính toán PTHH cho kết cấu bê tông cốt
thép được gia cường bằng dán bản thép, tuy nhiên mới chỉ dừng ở việc phân tích
tuyến tính nên không phản ánh sát được sự làm việc của kết cấu gia cường. Mới đây
nhất, trong khuôn khổ đề tài nghiên cứu về giải pháp gia cường kết cấu BTCT công
trình thủy lợi bằng cách dán vật liệu composite, Nguyễn Chí Thanh [6] đã thực hiện
một chương trình khảo sát và thí nghiệm kết cấu nhằm xác định các ứng xử cơ bản

44. 26
của hệ thống gia cường và sơ bộ định lượng khả năng nâng cao sức chịu tải của kết
cấu. Kết quả nghiên cứu cho thấy việc sử dụng lớp vật liệu cốt sợi cường độ cao có
thể nâng cao đáng kể sức chịu tải của kết cấu, tùy thuộc vào mức độ gia cường, sức
kháng uốn của kết cấu dạng dầm, bản bê tông cốt thép sau khi gia cường có thể lớn
gấp hai đến ba lần so với ban đầu.
1.3.3 Những vấn đề còn tồn tại trong nghiên cứu gia cường kết cấu bê
tông cốt thép bằng tấm composite
Từ các tài liệu trong và ngoài nước thu thập được cho thấy: đối với công trình
thủy lợi có rất ít nghiên cứu sự làm việc của kết cấu sau khi gia cường. Công trình
thủy lợi luôn tiếp xúc với môi trường nước. Nước đồng thời vừa là tải trọng tác
động, vừa là yếu tố gây phá hoại công trình. Trong điều kiện thi công ở khu vực có
độ ẩm cao, hoặc ngập dưới nước, thì chất lượng gia cường có đảm bảo được không?
Về mặt vật liệu, hiện nay một số nhà sản xuất đã tự làm thí nghiệm và khẳng định
công nghệ này có thể thích hợp với công trình dưới nước hoặc tiếp xúc với nước,
nơi có độ ẩm 100%. Nhưng hiện tại chưa có nghiên cứu đầy đủ nào cho công trình
cống dưới đê đập nói riêng, công trình thủy lợi nói chung.
Một điểm hạn chế quan trọng, như đã trình bày ở trên, đó là các kết quả
nghiên cứu thường từ thí nghiệm trên kết cấu dầm đơn giản chịu tải trọng tập trung,
trong thực tế hầu hết ở kết cấu chịu tải trọng phân bố. Đặc biệt trong công trình
cống dưới đê đập, áp lực đất tác dụng lên thành ngoài cống cũng như áp lực nước
trong lòng cống đều là các tải trọng phân bố. Liệu tải trọng phân bố có gây ra các
tác động khác so với tải trọng tập trung? Về mặt phân tích kết cấu có thể thấy rõ là
có, vì tải trọng phân bố không tạo ra mô men tập trung lớn xuất hiện cùng với lực
cắt lớn đồng thời tại một mặt cắt như đối với kết cấu chịu tải trọng tập trung. Các
ngẫu lực do mô men ở thớ chịu nén trong cấu kiện chịu tải trọng phân bố có xu
hướng tạo cho kết cấu có chiều cao chịu nén thường lớn hơn so với khi kết cấu chịu
tải trọng tập trung. Sự sai khác về tải trọng vì thế có thể tạo ra những nhận định
khác về trạng thái phá hoại cũng như khả năng chịu lực của công trình khi được gia
cường. Do vậy, rất cần các nghiên cứu về ảnh hưởng của loại tải trọng cũng như sự

45. 27
phân bố tải trọng tới sức chịu tải của công trình khi gia cường bằng phương pháp
dán tấm composite.
Một đặc điểm ở công trình dạng cống dưới đê, đập là các cấu kiện có dạng tấm
bản chiếm chủ yếu. Trong điều kiện nằm trong lòng đất, khi kết cấu bị suy giảm sức
chịu tải, khả năng gia cường chỉ có thể thực hiện ở phía trong lòng cống. Ở đây, có
hai trạng thái chịu lực cơ bản cần được quan tâm, đó là khả năng chịu uốn và khả
năng chịu cắt. Bằng cách dán lớp vật liệu ở bề mặt của tấm bản có thể thấy rõ khả
năng kháng uốn sẽ được tăng cường cho những mặt cắt ở vùng giữa của tường và
trần cống, nơi có mô men lớn gây kéo ở thớ bên trong lòng cống. Tuy nhiên, do
không thể tăng cường khả năng kháng cắt bằng cách dán lớp vật liệu theo thớ chịu
cắt như thực hiện đối với các dầm mảnh (như trong công trình cầu hoặc dầm trong
công trình nhà), nên chỉ có thể xem xét khả năng kháng cắt được tăng cường đồng
thời nhờ lớp gia cường theo phương dọc của cốt thép chịu lực cũng như của tấm
bản. Nghiên cứu về việc đánh giá sức kháng cắt nhờ việc gia cường về kháng uốn
hiện tại còn bỏ ngỏ. Theo đó, đối với công trình cống, việc tối ưu sức kháng uốn và
cắt đồng thời cần được thực hiện thế nào để kết cấu có thể làm việc an toàn và tối
ưu về kinh tế; khi mà khả năng nâng cao sức chịu tải của kết cấu về mặt kháng uốn
được thực hiện thuận lợi và có thể có hiệu quả cao, trong khi khả năng gia cường
sức kháng cắt lại bị hạn chế. Việc gia cường thiên cho kháng uốn sẽ làm cho kết cấu
có xu hướng chuyển dần nguy cơ phá hoại sang cắt và do vậy, sức kháng cắt cũng
cần được quan tâm đúng mức.
Vì vậy, trong công trình cống cần thiết phải nghiên cứu xem việc gia cường
nên thực hiện ở vị trí nào và với mức độ gia cường là bao nhiêu để đảm bảo không
chỉ tăng khả năng kháng uốn mà còn tăngkhả năng kháng cắt cho toàn bộ cấu kiện
chịu lực. Việc tối ưu mức độ gia cường dựa trên cơ sở phân tích mức độ suy giảm
sức kháng ở từng mặt cắt và theo từng trạng thái phá hoại sẽ giúp cho công tác đánh
giá lựa chọn giải pháp gia cường thỏa mãn các yêu cầu về kinh tế - kỹ thuật.
Trong công trình xây dựng cũ ở nước ta, đặc biệt là trong công trình thủy lợi,
các cấu kiện bê tông cốt thép thường sử dụng cốt thép có cường độ giới hạn chảy
thấp (xấp xỉ 300 MPa), trong khi độ bền chịu kéo của lớp vật liệu gia cường