NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN GIẢI PHÁP TĂNG CƯỜNG KHẢ NĂNG CHỊU LỰC KẾT CẤU NHỊP CẦU BÊ TÔNG CỐT THÉP TỈNH TRÀ VINH
Các cầu bê tông cốt thép trước đây được xây dựng để phục vụ nhu cầu tải trọng thấp, hiện nay tải trọng khai thác của các tuyến đường càng lớn. Để đáp ứng được nhu cầu chịu tải trọng lớn cho cầu và mang lại hiệu quả kinh tế cao cần nghiên cứu biện pháp gia cường cầu.
Đề tài nghiên cứu hai giải pháp tăng cường tải trọng cho cầu bằng cách sử dụng dán sợi carbon và dự ứng lực ngoài để chịu tải trọng khai thác HL93 (22TCN 272-05).
Nghiên cứu, tìm hiểu sơ đồ chịu lực của dầm cầu trước khi gia cường.
Nghiên cứu, tính toán tăng cường cầu để chịu tải trọng lớn hơn.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu là cầu dầm giản đơn bê tông cốt thép (cầu Cây Gáo) dưới tác dụng của tải trọng HL93.
Tìm hiểu được sự làm việc của tấm sợi carbon và dự ứng lực ngoài cho cầu dầm giản đơn.
Thu thập tài liệu và thông tin liên quan đến cơ sở lý thuyết của đề tài, phân tích sơ đồ cầu thực tế trước và sau khi tăng cường kết cấu.
Tính toán tấm sợi và dự ứng lực ngoài với bản tính bằng tay và trên phần mềm Midas/Civil.
Luận văn được trình bày trong 3 chương, có nội dung chính như sau:
Chương 1: Phân tích đánh giá hiện trạng hệ thống cầu
Chương 2: Nghiên cứu cơ sở lý thuyết để đánh giá công trình cầu và các biện pháp sửa chữa, gia cố tăng cường kết cấu nhịp cầu cũ
Chương 3: Nghiên cứu tính toán sửa chữa tăng cường cầu BTCT thường áp dụng cho cầu Cây Gáo Km14+772, đường ĐT912
Kết luận và Kiến nghị
CHƯƠNG 1
PHÂN TÍCH ĐÁNH GIÁ HIỆN TRẠNG HỆ THÔNG CẦU
1.1. THỰC TRẠNG HỆ THỐNG CẦU
Kết cấu của hệ thống cầu của tỉnh được xây dựng rất lâu. Qua quá trình khai thác, từ các bức xúc về vận tải đã từng bước được nâng cấp cải tạo nhưng không được đồng bộ. Quá trình xây dựng giai đoạn cũ bằng các công nghệ thi công lạc hậu. Kết cấu nhịp chủ yếu là giản đơn và chia làm một số lại chủ yếu như sau:
– Cầu Bê tông cốt thép (BTCT) thường nhịp giản đơn;
– Cầu Bê tông cốt thép dự ứng lực nhịp giản đơn.
1.1.1. Dạng kết cấu và vật liệu xây dựng
– Dạng kết cấu: Đa số dạng kết cấu là giản đơn khẩu độ không lớn, chiều dài dầm thường từ 9 – 30m, dầm chữ I hoặc chữ T.
Tổng số 48 cầu trên tuyến Quốc Lộ: có 40 cầu nhịp dầm dự ứng lực tiết diện chữ I và chữ T; 8 cầu dầm bêt tông cốt thép thường.
Tổng số 22 cầu trên tuyến Tỉnh Lộ: có 21 cầu bản bê tông cốt thép và 01 cầu thép.
1.1.2. Vấn đề cần đặt ra cho hệ thống cầu trên địa bàn
Thực trạng hệ thống cầu có tải trọng thấp và không đồng bộ được xây dựng khá lâu, kết cấu không quy chuẩn, quá trình xây dựng bằng các công nghệ lạc hậu. Xuất phát từ vấn đề đó, trên hệ thống cầu tiềm ẩn mất an toàn công trình và mất an toàn giao thông.
Nhiệm vụ đặt ra là: Lập kế hoạch thứ tự ưu tiên cải tạo nâng cấp các cầu hiện có; Chọn kết cấu hợp lý phù hợp với công tác quản lý, môi trường của địa phương; mỹ quan; tuổi thọ; Tải trọng phù hợp cho từng tuyến.
Trong khuôn khổ luận văn này chỉ tập trung nghiên cứu sâu một số nội dung như sau:
– Đánh giá lại tình trạng hư hỏng hệ thống cầu do Sở GTVT Trà Vinh quản lý.
– Nghiên cứu cơ sở đánh giá chất lượng công trình cầu và các giải pháp sủa chữa tăng cường khả năng chịu lực kết cấu nhịp cầu Bê tông cốt thép.
– Ngiên cứu, tính toán sửa chữa cầu BTCT thường bằng Công nghệ ứng dụng vật liệu composite và Công nghệ dự ứng lực ngoài; Áp dụng cầu Cây Gáo, Km14+772, đường ĐT912.
1.1.3. Thời gian xây dựng và tải trọng cầu
Các cầu được xây dựng qua nhiều thời điểm khác nhau. Các cầu xây dựng từ 1982 – 2014 thường có tải trọng H13 – H30 khổ hẹp từ 3,3 – 12m.
1.2. TÌNH TRẠNG CHẤT LƯỢNG CÁC CẦU ĐANG KHAI THÁC
1.2.1. Các dạng hư hỏng, sự cố thường gặp.
1.2.1.1. Đối với Cầu dầm thép liên hợp BTCT
Thường xảy ra các trường hợp sau:
– Các dầm thép bị gỉ nhiều do môi trường ô nhiễm, không được bảo quản sơn sửa kịp thời.
– Cây cỏ 2 đầu mố mọc nhiều, không được vệ sinh tạo môi trường ẩm ướt làm gỉ nhanh các đầu dầm và gối.
– Xuất hiện một số vết nứt dưới bản mặt cầu BTCT.
1.2.1.2. Đối với cầu bản bê tông cốt thép và cầu dầm bê tông cốt thép
Thường xảy ra các trường hợp sau:
– Bê tông bị vỡ để lộ cốt thép.
– Hỏng dưới đáy bản bê tông và để lộ cốt thép.
– Những vị trí trát vá bằng bê tông hoặc vữa xi măng xuất hiện các vết rạn nứt, bong tróc mố trụ cầu để lộ cốt thép.
1.2.1.3. Đường đầu cầu, bản mặt cầu, khe co giãn, mố cầu
Thường xảy ra các trường hợp sau:
– Lún sụt phần đắp đất sau mố, hỏng bản qúa độ, hư hỏng lớp mặt cầu đường tiếp giáp với cầu.
– Đầu đường bị sập, sạt lở mái ta luy, gia cố các đầu cầu bị hỏng.
– Lớp bê tông nhựa bản mặt cầu bong tróc nhiều mảng, các khe co dãn thiết kế và thi công không tốt, trong quá trình khai thác bị biến dạng làm bong lớp mặt cầu.
1.2.2. Phân tích các nguyên nhân gây ra hư hỏng và các yếu tố làm xuống cấp các cầu đang khai thác
Sự phá hỏng của cầu do các nguyên nhân chính sau:
– Quá trình phá hủy vật liệu do tác động của môi trường, bão, lũ…
– Khảo sát và thiết kế có sai sót.
– Sai sót trong quá trình thi công.
– Trong quá trình sử dụng, thiếu duy tu sửa chữa, khai thác quá tải.
1.2.2.1. Các hư hỏng do quá trình phá hủy vật liệu do tác động của môi trường
a. Sự phá hủy lý hóa của bê tông
Dạng hư hỏng này có thể xảy ra do các tác động bên ngoài hoặc do thành phần của bản thân bê tông. Phản ứng hóa học phổ biến nhất xảy ra dưới tác dụng của sự ngậm nước và thẩm thấu nước. Hiện tượng này sẽ kéo theo sự xuất hiện của sùi mặt thành mụn và vỡ mủn.
b. Sự hư hỏng do hiện tượng ăn mòn cốt thép trong bê tông
– Kết cấu bê tông cốt thép bị phá hủy chủ yếu bởi ăn mòn cốt thép. Việc ăn mòn cốt thép sẽ dẫn đến nứt vỡ lớp bê tông bảo vệ phá hủy kết cấu.
c. Sự hư hỏng về nứt do co ngót bê tông
Co ngót là hiện tượng thể tích thay đổi do mất độ ẩm, tỷ lệ N/X càng cao, sự chênh lệch giữa mức co ngót ở mặt ngoài và bên trong tiết diện càng nhiều.
1.2.2.2. Những hư hỏng do quá trình khảo sát, thiết kế
– Tính toán sai hoặc tính chưa đủ.
– Chọn giải pháp kết cấu không tốt, không tôn trọng những nguyên tắc đảm bảo an toàn công trình.
a. Những hư hỏng do tính toán kết cấu
– Việc lựa chọn sơ đồ tính toán kết cấu không đúng hoặc không chính xác, hoặc chưa lường hết được các yếu tố tác động xảy ra trong quá trình thi công cũng như quá trình khai thác công trình.
b. Những hư hỏng xảy ra lựa chọn giải pháp kết cấu không tốt
Khi thiết kế một công trình, ngoài vấn đề phải tính toán đủ khả năng chịu lực theo yêu cầu thiết kế, cần thiết phải có sự lựa chọn giải pháp kết cấu hợp lý, nếu không sẽ dẫn đến những hư hỏng mà nguyên nhân chính hoàn toàn do vấn đề lựa chọn về cấu tạo của kết cấu không hợp lý.
1.2.2.3. Những hư hỏng liên quan đến thi công
– Công nghệ thi công thiếu sự kiểm soát. Công tác quan trắc trong quá trình thi công không đầy đủ, do vậy kết cấu của công trình thi công bị lún, biến dạng hay dao động thì người kỹ sư cũng không có sự kiểm soát, vì vậy sự cố xảy ra mà không kịp thời phòng tránh. Ngoài ra, nhiều vấn đề cá biệt do kiến thức cơ học của người kỹ sư còn thiếu sót.
a. Sản xuất bê tông
Khi sản xuất bê tông không tôn trọng công thức qui định, cho nước không đúng, sử dụng không đúng chất phụ gia, pha trộn không đúng nhiệt độ quy định… Những sai sót này làm ảnh hưởng tới cường độ chịu lực của vật liệu, gây rỗ bề mặt tạo điều kiện đẩy nhanh tốc độ cacbônat hóa trong bê tông.
b. Cốt thép trong bê tông
Không tuân thủ chiều dày lớp bảo vệ, thép đặt không đảm bảo nên khi đổ bê tông bị di chuyển… Các sai sót này ảnh hưởng tới khả năng chịu lực của kết cấu và là nguyên nhân gây gỉ cốt thép.
c. Bố trí cốt thép trong ván khuôn và thi công căng kéo
Trong quá trình thi công có xảy ra các sai lệch về mặt hình học, có thể kể đến sự lún cục bộ của ván khuôn, độ vồng ngược của dầm không thích hợp, các mối nối không đảm bảo, các sai lệch có liên quan đến chất lượng không đồng đều của bê tông, sự chất tải hoặc kéo căng cốt thép không đối xứng… Các thiếu sót này làm biến dạng thực tế của kết cấu khác xa so với tính toán.
d. Những sai sót trong quá trình thi công
Đặt cốt thép không đúng quy cách, sai số về vị trí lớn, kê chèn không đủ cho chiều dày lớp bảo vệ theo dự định, không hàn các mối nối cốt thép, thiếu cốt thép chờ giữa các mối nối bê tông. Tháo ván khuôn sớm dẫn đến biến dạng quá lớn, thậm chí gây nứt… Những sai sót trên ảnh hưởng rất lớn đến khả năng chịu lực của kết cấu, gây nứt bê tông và gỉ cốt thép.
1.2.2.4. Những hư hỏng trong quá trình khai thác sử dụng
– Trong quá trình sử dụng, những hư hỏng xảy ra thường do sự thay đổi điều kiện sử dụng, điều kiện môi trường, thiếu duy tu bảo dưỡng thường xuyên… Những hư hỏng trong quá trình sử dụng phổ biến nhất là các hư hỏng về nứt. Các vết nứt này là do cấu kiện chịu quá tải, do lún không đều của công trình, do mỏi…
– Ảnh hưởng của xe quá tải đến công trình.
– Ảnh hưởng của nguồn vốn duy tu cầu hàng năm
* Kết luận: Tất cả những nguyên nhân trên góp phần làm cho chất lượng kết cấu ban đầu đã kém lại giảm dần theo thời gian dẫn đến những hư hỏng công trình làm cho tuổi thọ công trình thấp, điều kiện khai thác khó khăn bị hạn chế thậm chí còn có công trình bị phá hoại hoàn toàn gây hậu quả nghiêm trọng. Để khôi phục công trình được tốt tránh được những rủi ro cần có kế hoạch khảo sát kiểm tra thăm dò thường xuyên, đánh giá phân loại hư hỏng, tìm đúng nguyên nhân thì lúc đó mới đưa ra giải pháp sửa chữa phòng tránh hữu hiệu.
1.3. ĐÁNH GIÁ TÌNH TRẠNG HƯ HỎNG CẦU BÊ TÔNG CỐT THÉP TRÊN ĐỊA BÀN TỉNH TRÀ VINH
| TT | Tuyến/Tên cầu | Số cầu BTCT | Số cầu BTCT hư hỏng | Tỷ lệ % |
| 1 | Quốc lộ | 48 | 8 | 16,67 |
| 2 | Tỉnh lộ | 22 | 2 | 9,1 |
| 3 | Tổng | 70 | 10 | 14,29 |
Kết luận:
Các hư hỏng chính tập trung vào nhịp cầu, bản mặt cầu và phần tiếp giáp đường vào cầu. Các dạng hỏng chính là nứt dầm, tróc vỡ bê tông, rỉ cốt thép gây rộp lớp bê tông bảo vệ, rỉ sét dầm thép, hỏng khe co giãn, gãy lan can cầu , nứt bản, phần tiếp giáp giữa cầu và đường .
CHƯƠNG 2
NGHIÊN CỨU CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐỂ ĐÁNH GIÁ CÔNG TRÌNH CẦU VÀ CÁC BIỆN PHÁP SỬA CHỮA, GIA CỐ TĂNG CƯỜNG KẾT CẤU NHỊP CẦU CŨ
2.1. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ SỰ HƯ HỎNG CỦA KẾT CẤU NHỊP
2.1.1. Hệ thống phân loại chất lượng kỹ thuật
Căn cứ vào hiện trạng hệ thống cầu trên mạng lưới giao thông đường bộ của Trà Vinh. Tùy theo mức độ hư hỏng và tình trạng suy giảm các chức năng làm việc của công trình mà chất lượng kỹ thuật công trình được phân thành các loại như sau:
+ Loại tốt; Loại khá; Loại trung bình; Loại yếu; Loại rất yếu.
2.2. CÁC PHƯƠNG PHÁP KIỂM TRA
2.2.1. Phương pháp kiểm tra tổng quát
Phương pháp kiểm tra tổng quát được thực hiện 3 năm/lần. Phương tiện kiểm tra chủ yếu bằng mắt thường, vì vậy càng bao quát và bám sát (tiếp cận) kết cấu càng tốt.
2.2.2. Phương pháp kiểm tra chi tiết
Sau khi kiểm tra tổng quát, tiến hành kiểm tra chi tiết, bổ sung để đánh giá chính xác cấp hạng công trình, từ đó có các chỉ định và sửa chữa tăng cường kịp thời.
Đối với cầu mới, thử nghiệm cầu nhằm thu thập các số liệu sẽ được so sánh với các kết quả tính toán tương ứng. Chúng được lưu giữ để làm số liệu kiểm chứng cho thử tải lần sau.
Đối với cầu cũ, việc thử nghiệm cầu dùng để đánh giá hiệu quả sau khi việc tăng cường sửa chữa kết cấu nhịp thực hiện xong. Thử nghiệm cầu cũng được áp dụng trong quá trình khai thác cầu, nhằm phát hiện những thay đổi trong sự làm việc các bộ phận của kết cấu.
2.3. CÁC GIẢI PHÁP SỬA CHỮA TĂNG CƯỜNG CẦU
Tùy theo mục đích sửa chữa là để kéo dài tuổi thọ của kết cấu cầu hay để khôi phục lại khả năng chịu lực như kết cấu ban đầu mà lựa chọn vật liệu, thiết bị và phương pháp sửa chữa.
– Những hư hỏng không làm giảm cường độ và tuổi thọ của kết cấu
– Những hư hỏng làm giảm cường độ của kết cấu.
2.3.1. Biện pháp sửa chữa bằng vật liệu truyền thống
Biện pháp sửa chữa này dùng vữa bê tông thường cốt liệu nhỏ để lấp vá các vết nứt, các vết vỡ bê tông nhằm mục đích đưa kết cấu về hình dạng ban đầu khi chưa hư hỏng, hạn chế bớt tốc độ phá hủy vật liệu do ảnh hưởng trực tiếp của môi trường và gây cảm giác về độ an toàn của kết cấu.
2.3.2. Biện pháp tăng cường tiết diện
Căn cứ vào từng trường hợp cụ thể, việc gia cố bằng phương pháp tăng cường tiết diện có thể thực hiện theo nhiều cách như sau:
– Tăng cường tiết diện bê tông.
– Tăng cường tiết diện cốt thép.
– Tăng cường tiết diện bê tông kết hợp với tăng cường tiết diện cốt thép.
2.3.3. Biện pháp dán bản thép ngoài bổ sung
Biện pháp này thường được sử dụng cho cầu BTCT thường, trong trường hợp cốt thép chủ ở khu vực chịu kéo bị gỉ, đáy dầm có nhiều vết nứt theo phương thẳng đứng ở khu vực giữa chiều dài nhịp dầm. Ở đây có thể kết hợp dán bản thép với việc bổ sung cốt thép vào khu vực chịu kéo.
Mục đích chính của công nghệ này là:
– Khôi phục lại hoặc tăng cường khả năng chịu lực của kết cấu.
– Thay thế các cốt thép đã bố trí không đủ hoặc sai vị trí cần thiết.
2.3.4. Biện pháp dán tấm vật liệu composite
Phương pháp mới này tận dụng được ưu điểm khả năng chịu lực rất cao của vật liệu cùng với sự tiện lợi khi thi công đã trở thành một giải pháp rất đáng chú ý khi chọn lựa để sửa chữa, gia cố cho các công trình bê tông cốt thép. Phương pháp sửa chữa, gia cố công trình bằng cách sử dụng vật liệu FRP có rất nhiều ưu điểm như thi công đơn giản, nhanh chóng, không cần phải đập phá kết cấu, không cần sử dụng coppha, đảm bảo giữ nguyên hình dạng kết cấu cũ, có tính thẩm mỹ cao, đặc biệt là với các công trình đòi hỏi khả năng chống thấm và ăn mòn cao.
2.3.5. Biện pháp đặt thêm cốt thép dự ứng lực ngoài
Phương pháp dự ứng lực ngoài là dùng cáp dự ứng lực bổ sung cốt thép chịu kéo và làm tăng đặc trưng hình học của tiết diện các công trình cầu cũ để khắc phục những hư hỏng làm giảm khả năng chịu uốn và chịu cắt hoặc để tăng thêm tải trọng khai thác so với tải trọng thiết kế.
Tiến hành đặt hệ cáp ngang, các bó cáp dự ứng lực sẽ liên kết các phiến dầm lại với nhau, khi độ cứng của hệ tăng lên, sự phân bố tải trọng trong toàn hệ sẽ được cải thiện.
NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN SỬA CHỮA TĂNG CƯỜNG CẦU BTCT THƯỜNG ÁP DỤNG CHO CẦU CÂY GÁO KM14+772,ĐƯỜNG ĐT912
3.1 NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN SỬA CHỮA TĂNG CƯỜNG CẦU BTCT THƯỜNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP CÁP DỰ ỨNG LỰC NGOÀI ÁP DỤNG CHO CẦU CÂY GÁO KM14+772, ĐƯỜNG ĐT 912
3.1.1. Tổng quan về công nghệ tăng cường cáp dự ứng lực cho dầm cầu bê tông cốt thép
Tác dụng của phương án này là sử dụng các lực căng trong bó thép dự ứng lực để tạo ứng suất ngược dấu trong kết cấu nhịp cầu, dưới tác dụng của hoạt tải thiết kế theo quy mô dự án, phần tĩnh tải chất thêm và các trị số tăng thêm do hoạt tải thiết kế gây ra sẽ được triệt tiêu, làm tăng khả năng chịu tải trong trạng thái giới hạn sử dụng của kết cấu.
3.1.2. Các bộ phận kết cấu chính
Các bộ phận chính: Hộp bảo vệ, nêm neo, đầu neo, thép xoắn chịu lực cục bộ đầu neo, đế neo, lớp đệm cáp, ống dẫn hướng, lớp bảo vệ cáp, bệ chuyển hướng, cáp dự ứng lực, thiết bị chống dao động.
Các bộ phận chính của đầu neo: hộp bảo vệ, nêm neo, đầu neo, đế neo, thép xoắn, lớp lót, ống dẫn hướng, ống bịt cáp, cơ cấu bịt đầu cáp.
3.1.3. Phương pháp phân tích tính toán
Khảo sát, nghiên cứu hiện trạng, sơ đồ chịu lực cầu, tải trọng qua cầu
Kiểm tra chịu lực cầu với tải trọng HL93
Kiểm tra chịu lực cầu với tải trọng HL93
Cầu không đảm bảo khai thác với tải trọng HL93
Kiểm tra cầu chịu lực với tải trọng HL 93
Đề suất phương án gia cường cáp Dự ứng lực ngoài
Kiểm tra cầu với tải trong HL93
3.1.4. Lý thuyết phân tích kiểm toán
– Cầu được phân tích tính toán theo tiêu chuẩn 22TCN 272-05, phần mềm Midas/Civil.
3.1.4.1. Áp dụng cho cầu Cây Gáo
a. Số liệu tính toán
Cầu được thiết kế với nhịp 18m bê tông cốt thép thường, mặt cắt ngang cầu gồm 4 dầm có chiều cao 1100mm, khoảng cách các dầm chính là 1800mm. Nhịp cầu được thiết kế với 3 dầm ngang, hai dầm ngang đầu nhịp và một dầm giữa nhịp.
Sử dụng đầu neo loại ET2 15-7 (7 tao 15.2mm)
Hình 3.6. Mặt cắt bố trí cáp
c. Thiết kế cáp dự ứng lực ngoài
Đặc tính của cáp sử dụng tao 15.2mm, diện tích cáp danh định là 140 mm2, cường độ kéo đứt (fpu) của cáp là 1860 Mpa, Mô đun đàn hồi (Es) là 195000 Mpa.
Kết cấu được mô hình với phần mềm Midas/Civil, phần tử dầm được mô hình cho dầm cầu, phần tử Truss mô hình cho cáp dự ứng lực ngoài (bỏ qua độ võng của cáp).
a. Tải trọng bản thân dầm (DC)
Tải trọng bản thân dầm, dầm ngang và cáp được chương trình tự động tính khi mô hình với kích thước thực tế.
Liên kết ngang đại diện cho sự làm việc theo phương ngang cầu khi phân tích hoạt tải di động không xét trọng lượng bản thân.
b. Tải trọng lớp bê tông dày 6-12 (cm) (DW1)
Mỗi dầm sẽ chịu một tải trọng có cường độ: 0.08*1.8*24.5 = 3.53 kN/m.
c. Tải trọng lớp láng nhựa và phòng nước dày 3.4mm, mối nối ướt (DW2)
Mỗi dầm sẽ chịu một tải trọng có cường độ:
0.034*1.8*22.5+0.15*0.3*24.5 = 2.48 kN/m
Mô hình bất lợi cho dầm biên chịu tải trọng toàn bộ: 0.15*24.5 = 3.68 kN/m (gần đúng)
e. Tải trọng căng kéo cáp cường độ cao (PS)
Quan điểm thiết kế được lựa chọn theo mục 5.9.4 (TCN 272-05)
Cáp cường độ cao dùng loại ASTM 270 có độ tự chùng thấp. Cường độ cực hạn kéo đứt là
fu = 1860MPa, giới hạn chảy của cáp là fy = 0.9*1860 = 1674MPa.
Lực căng kéo được lựa chọn bằng : 455.7 kN
f. Hoạt tải xe thiết kế (HL93)
Cầu được tính toán với hai làn xe thiết kế, các hệ số tính toán được lấy theo 22TCN 272-05.
g. Hoạt tải xe thiết kế (3.6.1.4 – 22TCN 272-05)
Tải trọng tính mỏi là một xe tải thiết kế hoặc là các trục của nó được quy định trong Điều 3.6.1.2.2 nhưng với một khoảng cách không đổi là 9000 mm giữa các trục 145.000N.
Tần số của tải trọng mõi được tính như sau:
Ngưỡng biên độ mõi không đổi (loại B) : (ΔF)th = 110 Mpa.
Cường độ chảy của thép dự ứng lực: fy = 1670 Mpa
h. Tổ hợp tải trọng tính toán kiểm tra
Trạng thái giới hạn cường độ: Strength = 1,25.DC + 1,5.DW1 + 1,5.DW2 + 1,75.HL93
Trạng thái giới hạn sử dụng: Service = 1,0.DC + 1,0.DW1 + 1,0.DW2 + 1,0.HL93
Trạng thái giới hạn mõi: Fatigue = 0,75.HL93
3.1.4.3. Điều kiện kiểm tra kết cấu chịu lực theo 22TCN272-05 [3]
Ứng suất trong thép ở trạng thái giới hạn sử dụng (fs), không được lớn hơn 0,6.fy. Và fsa phải nhỏ hơn 0,6fy nhưng lớn hơn fs ,(mục 5.7.3.4).
Sức kháng uốn của dầm bê tông phải lớn hơn nội lực phát sinh trong dầm ở trạng thái cường độ (mục 5.7.3.2.1)
b. Đối với dây cáp dự ứng lực ngoài
Thiết kế dây văng phải thỏa mãn các yêu cầu theo Đề xuất của Viện DƯL căng sau (PTI) đối với thiết kế dây văng (2007) và Đề xuất của CIP về cáp văng (2002):
Ứng suất giới hạn trong dây cáp cần kiểm tra
Ứng suất khai thác ở trạng thái sử dụng là 0.45*fu = 0.45*1860 = 837MPa.
Ứng suất khai thác ở trạng thái cường độ là 0.65*fu = 0.65*1860 = 1209Mpa
c. Kiểm tra hiệu ứng mõi của cáp dự ứng lực ngoài
– Biên độ ứng suất cáp phải thỏa mãn điều kiện sau: γ(ΔF) ≤ (ΔF)η = G = ½((ΔF)TH = 110/2 = 55Mpa.
3.1.4.4. Tính toán nội lực dầm trước khi gia cường cáp dự ứng lực
Momen dầm 1 ở tổ hợp giới hạn sử dụng (max = 1844 KNm)
3.1.4.5. Tính toán dầm sau khi tăng cường
a. Theo dõi biến dạng dầm sau khi căng cáp
Dầm bị vồng lên 12-2.5 = 9.5 mm sau khi căng cáp xong, 12 là biến dạng do trọng lượng bản thân của dầm, tĩnh tải phần 2.
Trong tính toán biến dạng này, không xem xét đến độ vồng đặt trước của dầm khi chế tạo.
b. Kiểm tra ở trạng thái giới hạn sử dụng
* Trường hợp chưa căng cáp dự ứng lực ngoài
Ứng suất thớ dưới dầm (max = 20.87Mpa)
Ứng suất thớ trên dầm (Min -11.47Mpa<-15Mpa Ok)
Nhận xét:
+ Ứng suất thớ dưới dầm có ứng suất kéo quá lớn (max = 20.87Mpa) nên việc khai thác với tải trọng xe HL93 không còn phù hợp, kiểm tra sự làm việc chống nứt (xem phụ lục 1).
+ Với việc kiểm tra nứt ở phụ lục 1, cốt thép dầm không thỏa mãn điều kiện khống chế nứt, đề nghị sử dụng biện pháp tăng cường để cầu chịu được tải trọng HL93.
c. Kiểm tra sức kháng uốn của dầm
Bố trí thép chủ giữa nhịp cho kiểm tra
Sức kháng uốn tính toán: Mr = ϕ.Mn
Mn=(12861.44*240*(994-80.64/2)+0.85*30*(1500-190)*0.84*150(80.64/2- 150/2))/10^6 = 2947.98 kNm
Vậy sức kháng tính toán là:
Mr = 0.9*2947.98= 2653.18 kNm < Mu = 2741 kN
Dầm không đảm bảo điều kiện chịu lực.
3.1.4.6. Kiểm tra ứng suất dầm sau khi căng cáp
Ứng suất thớ dưới dầm (Max=2.995<3.45 Mpa)
Ứng suất thớ trên dầm (Max= 3.72<15 Mpa)
Nhận xét: Ứng suất trong dầm đã nằm trong giới hạn cho phép. Kết cấu dầm đảm bảo điều kiện chịu lực ở trạng thái giới hạn sử dụng.
Ứng suất trong cáp (Max 290.5 < 837 Mpa Ok)
b. Kiểm tra hiệu ứng mỏi cho cáp dự ứng lực ngoài
Kiểm tra hiệu ứng mõi cho cáp (max 29.5 < 55 Mpa Ok)
Nhận xét:
Biên độ ứng suất mỏi của cáp nằm trong giới hạn cho phép.
Kết cấu làm việc tốt dưới tải trọng mỏi.
c. Kiểm tra sức kháng uốn của dầm tại tiết diện có nội lực lớn nhất
Mô mem lớn nhất ở trạng thái giới hạn cường độ cho dầm biên
(Mmax = 1428 Knm<Mr = 2653Knm>1428 Knm Ok)
d. Kiểm tra sức kháng cắt của dầm tại vị trí kê lên gối cầu
Sức kháng cắt danh định:
Vậy lực cắt nhỏ nhất tiết diện chịu được: Vr = 482.2 >315.5kN_OK.
Dầm đảm bảo khả năng chống cắt.
e. Kiểm tra trạng thái giới hạn cường độ cáp dự ứng lực ngoài
Ứng suất trong cáp (max = 385Mpa < 1209 Mpa OK)
3.1.4.7. Một số kết quả minh họa kết quả tính
Hình 3.27. Biểu đồ mô men do tĩnh tải bản thân dầm và cáp dự ứng lực
Hình 3.28. Biểu đồ mô men do tinh tải bản thân
Hình 3.29. Biểu đồ mô men do tinh tải bản thân
Hình 3.30. Biểu đồ mô men do tĩnh tải bản thân dầm và cáp dự ứng lực
4.1.3.8. Tổng kết kết quả tăng cường
| Nội lực do tổ hợp cường độ trước tăng cường (HL93, bản thân, phần 2) | Nội lực do tổ hợp cường độ sau tăng cường cáp dự ứng lực ngoài (HL 93, bản thân, phần 2) | ||||
| Mô men (kNm) | Lực cắt (kN) | Mô men (kNm) | Lực cắt (kN) | Hiệu quả tăng cường lực cắt (%) | Hiệu quả tăng cường mô men (%) |
| 2741.00 | 641.01 | 1428 | 315.50 | 50.78 | 47.90 |
Sau khi căng cáp dự ứng lực ngoài, mô men và lực cắt phát sinh trong dầm của tổ hợp giới hạn cường độ đều giảm. Điều này phù hợp với nguyên lý kết cấu tăng cường cáp dự ứng lực ngoài.
Hình 3.31. Biểu đồ mômen dầm ở tổ hợp trạng thái giới hạn cường độ trước à sau khi gia cường.
Hình 3.30. biểu đồ thay đổi lực cắt lớn nhất ở tổ hợp trạng thái giớ hạn cường độ trước và sau khi gia cường
Sức kháng uốn của dầm trước khi tăng cường 2663.77 > 1428 kNm (Mô men dầm của tổ hợp cường độ sau khi tăng cường). Sức kháng cắt của dầm là 482.2 kN > 315.5 kN (Lực cắt dầm của tổ hợp cường độ sau khi tăng cường), kết cấu dầm sau khi tăng cường đảm bảo điều kiện chịu lực với tải trọng thiết kế xe HL93.
3.1.4.9. Dự toán sửa chữa căng cáp cho một nhịp gồm 4 dầm
| Khối lượng vật tư hệ cáp dự ứng lực cho một dầm | |||
| Stt | Vật liệu | Đơn vị | Khối lượng |
| 1 | Cáp 7 tao 15,2mm | Tấn | 0.43 |
| 2 | Bê tông ụ neo 30 Mpa | m3 | 0.75 |
| 3 | Cốt thép ụ neo D>18 | Tấn | 0.28125 |
| 4 | Đầu neo cáp QVM ET2 | Bộ | 4 |
| Khối lượng vật tư hệ cáp dự ứng lực cho một nhịp | |||
| Stt | Vật liệu | Đơn vị | Khối lượng |
| 1 | Cáp 7 tao 15,2mm | Tấn | 1.72 |
| 2 | Bê tông ụ neo 30 Mpa | m3 | 3.00 |
| 3 | Cốt thép ụ neo D>18 | Tấn | 1.13 |
| 4 | Đầu neo cáp QVM ET2 | Bộ | 16.00 |
Tổng chi phí đầu tư cho phương án gia cường cáp dự ứng lực ngoài là : 228,328,000 đồng (hai trăm hai mươi tám triệu, ba trăm hai mươi tám ngàn đồng).
3.1.4.10. Ưu điểm và nhược điểm của công nghệ DUL-N
Phương pháp này không những khôi phục khả năng làm việc ban đầu của dầm chủ mà còn chủ động tăng cường khả năng chịu lực của kết cấu, đặc biệt là khi áp dụng phương pháp này trong việc liên tục hóa các kết cấu nhịp cầu đã xây dựng từ sơ đồ tĩnh định thành kết cấu nhịp liên tục. Một ưu điểm nổi bật của phương pháp này là ngay trong quá trình thi công, sửa chữa vẫn đảm bảo cho xe lưu thông trên cầu.
Tuy nhiên mặt hạn chế của phương pháp này là kỹ thuật thi công phức tạp đòi hỏi trình độ lao động có tay nghề cao và giá thành cao
3.2. NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN SỬA CHỮA TĂNG CƯỜNG CẦU BTCT THƯỜNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP TẤM SỢI CARBON ÁP DỤNG CHO CẦU CÂY GÁO KM14+772, ĐƯỜNG ĐT 912
3.2.1. Giới thiệu công nghệ
Tấm FRP có cấu trúc nền là Epoxy và cấu trúc sợi là sợi cacbon. Được đặt chủ yếu theo chiều dọc, sợi ngang ít hơn và được dệt vuông. Tấm FRP thương phẩm có độ dày từ 1-1,5 mm và chiều rộng từ 50-100 mm. Tấm này chứa 60-70% (theo thể tích) sợi cacbon với đường kính khoản 8µm, được rải theo hướng nhất định trong thảm epoxy. Sợi cacbon có mô-đun đàn hồi 240-900MPa và cường độ chịu kéo 2.000-7.000MPa.
3.2.2. Các đặc trưng cơ học của vật liệu FRP
Vật liệu FRP có cường độ và độ cứng phụ thuộc vào vật liệu hợp thành, đặc trưng vật liệu của FRP phụ thuộc vào đường kính sợi, hướng phân bố các sợi và các đặc trưng cơ học của chất dẻo nền.
Đặc trưng cơ học của FRP phụ thuộc vào những yếu tố dưới đây:
+ Đặc trưng cơ học của sợi (sử dụng sợi cacbon, sợi aramid hay sợi thủy tinh);
+ Đặc trưng cơ học của chất nền (sử dụng Epoxy,Vinylester hay Polyester);
+ Tỷ lệ giữa sợi và chất nền trong cấu trúc FRP;
+ Hướng phân bố của các sợi trong chất nền.
a. Tính toán sức kháng uốn của dầm
Lý thuyết tính toán dựa trên tiêu chuẩn ACI 440-2R cho thiết kế và thi công vật sợi carbon (ACI 440-2R guide for design and constructionof external bonded FRP system for strnegthening concrete structures).
Với cầu Cây Gáo, do bề rộng bản cánh và bề dày bản bê tông khá lớn, nên chiều cao vùng bê tông chịu nén có kết quả tính nhỏ hơn chiều dày bản mặt cầu, luận văn chỉ trình bày tính cho tiết diện chữ nhật.
Hình 4.2. Biểu đồ phân tích lực trên mặt cắt ngang
+ Ở trên là hai công thức xác định chiều cao vùng chịu nén và sức kháng uốn của dầm có sự tham gia làm việc của vật liệu tấm sợi carbon.
+ Hệ số sức kháng uốn cho vật liệu tấm sợi: ψf
Thiết kế kháng cắt của dầm bê tông cốt thép theo công thức (4-2). Cường độ kháng cắt của tấm sợi carbon được tính toán với các hệ số theo tiêu chuẩn ACI 318-05. Thiết kế kháng cắt của dầm với sự tham gia của nhiều thành phần như: bê tông, cốt thép, tấm sợi, bên cạnh đó có xem xét đến hệ số sức kháng cắt φ, được chỉ rõ theo ACI 318-05
φVn ≥Vu (4-2)
Cường độ kháng cắt danh định của cấu kiện bê tông được tăng cường bởi sợi carbon có xem xét đến sự tham gia làm việc của bê tông, cốt đai. Một hệ số chiết giảm sức kháng cắt ψf được áp dụng để xác định sức kháng cắt tính toán:
φVn = φ(Vc + Vs + ψfVf (4-3)
Ở đâyVc là sức kháng cắt danh định của bê tông, Vs là sức kháng cắt danh định của cốt thép thường, Vf là sức kháng cắt danh định của tấm sợi carbon. Chi tiết tính toán cụ thể xem thêm ở phụ lục tính gia cường chống cắt.
a. Nội lực kiểm tra kết cấu
Biện pháp đưa ra là dán tấm sợi carbon vào đáy dầm để toàn bộ ứng suất kéo do tấm sợi carbon chịu. Bên cạnh đó mô men kháng uốn được tăng cường đáng kể để chịu lực.
b. Kiểm tra khả năng chịu lực của cấu kiện
Mục đích kiểm tra là đảm bảo ứng suất trong tấm sợi carbon và cốt thép thường nằm trong giới hạn cho phép.
Chi tiết kiểm tra xem phụ lục kiểm tra sức kháng uốn của dầm và uốn. Kết quả tổng hợp như sau:
| Nội lực do HL93 | Sức kháng uốn (kNm) | Sức kháng cắt (kN) | |||||
| Mô men (kNm) | Lực cắt (kN) | Trước tăng cường | Sau tăng cường | Hiệu quả tăng cường (%) | Trước tăng cường | Sau tăng cường | Hiệu quả tăng cường (%) |
| 2750.45 | 641.01 | 2663.77 | 2885.60 | 8.33 | 482.20 | 678.74 | 40.76 |
Hình 4.3. Biểu đồ thay đổi sức kháng cắt của dầm trước và sau khi tăng cường
Với thiết kế của cầu Cây Gáo chưa tăng cường, sức kháng uốn của dầm gần chịu được tải trọng thiết kế HL93, hiệu quả tăng cường sức kháng uốn đạt 8.33%. Mặt khác sức kháng cắt của dầm thiếu khá nhiều nên hiệu quả của việc tăng cường đạt 40.76%.
c. Dự toán sửa chữa cho một nhịp bốn dầm
Tổng chi phí đầu tư cho phương án gia cường tấm sợi carbon SCH-41 tyfo : 217,622,727 đồng (hai trăm mười bảy triệu, sáu trăm hai mươi hai ngàn đồng, bảy trăm hai mươi tám ngàn đồng).
4.2.3. Ưu điểm và nhược điểm của phương pháp sửa chữa và tăng cường bằng tấm sợi carbon
Ưu điểm của phương pháp sửa chữa và tăng cường kết cấu bê tông cốt thép bằng tấm FRP được thể hiện rõ ở hai mặt là ưu điểm của vật liệu FRP và tiện lợi của phương pháp thi công.
Ưu điểm về vật liệu:cường độ chịu kéo cao, mô đun đàn hồi cao, trọng lượng nhẹ, có tính chống ăn mòn cao. Vật liệu FRP có sức đề kháng rất tốt đối với các chất xâm thực và ô nhiễm có trong của các kết cấu, đa dạng về chủng loại.
Ưu điểm về phương pháp thi công:Thi công nhanh chóng đơn giản, không cần nhiều thiết bị máy móc và ít tốn nhân công, giữ nguyên hình dạng kết cấu cũ không cần phải đập phá kết cấu, thi công không cần sử dụng coffa, công trình sau khi được sửa chữa và tăng cường có tính mỹ thuật cao.
b. Nhược điểm
Vật liệu CFRP hiện nay giá thành còn tương đối cao, mất nhiều thời gian để mua vật liệu vì phải nhập từ nước ngoài. Giá vật liệu FRP cao nên giá thành công trình sử dụng vật liệu FRP để tăng cường còn khá cao.
Luận văn đã tiến hành phân tích thành công về mặt kỹ thuật (tính toán kết cấu), phân tích về công nghệ thi công và các ưu nhược điểm, phân tích về chi phí đầu tư của hai phương án gia cường (dán tấm sợi và căng cáp dự ứng lực ngoài).
Hiện nay, hai phương pháp sửa chữa, tăng cường kết cấu BTCT bằng tấm CFRP và cáp DUL-N đã được sử dụng rộng rãi ở các nước như Canada, Mỹ, Pháp, Đức, Bỉ… và bắt đầu xuất hiện ở Việt Nam. Nội dung của luận văn đã nghiên cứu các dạng hư hỏng của cầu cũ tìm hiểu nguyên nhân hư hỏng, tìm hiểu về hai phương pháp CFRP và cáp DUL-N. Từ đó, áp dụng hai phương pháp trên vào sửa chữa, tăng cường cho các cầu BTCT cũ ở tỉnh Trà Vinh do Sở GTVT quản lý.
Luận văn đã tổng kết hiện trạng kết cấu nhịp giản đơn cầu BTCT trên mạng lưới đường bộ tỉnh Trà Vinh, trình bày một số biện pháp sửa chữa và tăng cường kết cấu nhịp, đặc biệt đi sâu tìm hiểu, phân tích phương pháp FRP và DUL-N cho cầu Cây Gáo.
Qua các phân tích của các chương về mặt kinh tế hai phương án có chi phí đầu tư tương đương nhau, nhưng về mặt công nghệ thi công thì phương án dán tấm sợi carbon đơn giản và thuận lợi hơn.
Qua nghiên cứu của luận văn có thể nhận thấy rõ được các ưu điểm và nhược điểm của từng công nghệ. Từ đó ta có thể “nghiên cứu lựa chọn giải pháp tăng cường khả năng chỊu lực kết cấu nhịp cầu bê tông cốt thép tỉnh trà vinh” vừa đáp ứng giải pháp kỹ thuật, vừa tăng thêm tuổi thọ công trình, vừa đáp ứng được nhu cầu phát triển kinh tế từng vùng đồng thời phù hợp với tình hình kinh tế hiện nay, đáp ứng được yêu cầu quan trọng nhất là đưa khả năng phục vụ của cầu Cây Gáo từ tải trọng “H18 lên HL93” theo tiêu chuẩn 22TCN 272-05.
Công nghệ dán tấm chất dẻo sợi cacbon (FRP) là công nghệ mới nên Bộ giao thông vận tải cần ban hành dự thảo qui trình thi công và nghiệm thu công nghệ dán tấm tấm chất dẻo sợi cacbon trong sửa chữa và tăng cường cầu BTCT cũ phù hợp với điều kiện cụ thể của nước ta.
Công nghệ DUL-N là công nghệ đòi hỏi kỹ thuật cao, công nghệ thi công phức tạp. Chính vì vậy cần phải kiểm tra cẩn thận trong quá trình thiết kế cũng như thi công. Là giải pháp hữu hiệu có thể đáp ứng được các yêu cầu về kỹ thuật công trình đối với mọi khẩu độ cầu, đem lại độ tin cậy cao.
Kiến nghị sử dụng phương án “Dán tấm sợi carbon SCH-41 Tyfo” cho cầu Cây Gáo phù hợp về các mặt kinh tế, kỹ thuật, và công nghệ thi công
E:\DỮ LIỆU COP CỦA CHỊ YẾN\DAI HOC DA NANG\CONG TRINH GIAO THONG\NHOM THAY HOA TRA VINH\Luan van Nhơn\LUAN VAN NGUYEN THANH NHON\LUAN VAN NGUYEN THANH NHON\TOM TAT
