ĐÁNH GIÁ NĂNG LỰC CHỊU TẢI VÀ THIẾT KẾ NÂNG CẤP SỬA CHỮA CẦU THẠNH PHÚ TRÊN ĐƯỜNG TỈNH 911
Để phát triển kinh tế xã hội của đất nước nói chung và của tỉnh Trà Vinh nói riêng, việc đầu tư phát triển hạ tầng giao thông vận tải đóng vai trò rất quan trọng. Hiện nay, tỉnh Trà Vinh có 03 tuyến Quốc lộ, 06 tuyến Đường tỉnh và 42 tuyến Đường huyện với tổng chiều dài 927,54km đường và có 189 cầu; Trong đó, các cầu trên 03 tuyến Quốc lộ được đầu tư cơ bản đáp ứng được nhu cầu vận chuyển giao lưu hàng hóa phục vụ tốt phát triển kinh tế xã hội của tỉnh.
Đối với hệ thống Đường tỉnh và Đường huyện, có 138 cầu đang khai thác, trong đó cầu bê tông cốt thép có 119 cầu và cầu thép có 19 cầu. Các tuyến này đã cho thấy nhiều hạn chế như hệ thống giao thông chưa đồng bộ và đặc biệt là còn rất nhiều cầu yếu (khoảng 37 cầu). Điều này dẫn đến chưa đảm bảo được nhu cầu cấp thiết về vận chuyển hàng hóa cũng như tồn tại nguy cơ tiềm ẩn gây mất an toàn giao thông.
Trên cơ sở đó, nhằm đáp ứng các nhu cầu trên cùng với nguồn vốn đầu tư xây dựng cơ bản của tỉnh còn hạn chế thì việc đánh giá hiện trạng và đề xuất giải pháp thiết kế nâng cấp sửa chữa cầu Thạnh Phú trên Đường tỉnh 911 cũng như của một số cầu trên địa bàn tỉnh Trà Vinh là rất cần thiết và cấp bách.
2. Đối tượng nghiên cứu
Đề tài tiến hành nghiên cứu đánh giá năng lực chịu tải và đề xuất giải pháp thiết kế nâng cấp sửa chữa cầu Thạnh Phú trên Đường tỉnh 911, tỉnh Trà Vinh cũng như của một số cầu trên hệ thống Đường huyện và Đường tỉnh trên địa bàn tỉnh Trà Vinh.
Đánh giá năng lực chịu tải của một số cầu trên hệ thống Đường huyện và Đường tỉnh trên địa bàn tỉnh Trà Vinh. Cụ thể là cầu Thạnh Phú trên Đường tỉnh 911, tỉnh Trà Vinh.
Đề xuất các giải pháp thiết kế nâng cấp sửa chữa cho cầu Thạnh Phú trên Đường tỉnh 911, tỉnh Trà Vinh.
4.1. Mục tiêu tổng quát
Đánh giá năng lực chịu tải và đưa ra phương án nâng cấp một số cầu trên địa bàn tỉnh Trà Vinh.
4.2. Mục tiêu cụ thể
Đánh giá năng lực chịu tải, phân loại các dạng hư hỏng của cầu Thạnh Phú trên Đường tỉnh 911, tỉnh Trà Vinh.
Đề xuất giải pháp thiết kế nâng cấp tải trọng cầu Thạnh Phú trên Đường tỉnh 911, tỉnh Trà Vinh từ tải trọng khai thác thực tế 18 tấn lên 25 tấn để đồng bộ với tải trọng khai thác của tất cả các cầu trên tuyến.
Từ đó có thể đề ra phương án tổng thể cho các cầu trên toàn hệ thống cầu trên địa bàn tỉnh Trà Vinh.
Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm kết hợp với lý thuyết.
Trong đó:
– Phương pháp thực nghiệm:
Được áp dụng để thực hiện các phép đo phục vụ xác định năng lực chịu tải thực tế của cầu Thạnh Phú trên Đường tỉnh 911, tỉnh Trà Vinh.
– Phương pháp lý thuyết:
Xây dựng mô hình tính toán lý thuyết nhằm đánh giá năng lực của kết cấu cầu và lựa chọn giải pháp thiết kế đáp ứng nhu cầu kinh tế – kỹ thuật.
Để đạt được mục tiêu trên luận văn trình bày trong 03 chương:
Phần mở đầu
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CẦU TRÊN ĐỊA BÀN TỈNH TRÀ VINH
1.1. Sơ lược đặc điểm và tình hình kinh tế – xã hội tỉnh Trà Vinh
1.2. Hiện trạng mạng lưới giao thông trên địa bàn tỉnh Trà Vinh
1.3. Hıện trạng hư hỏng chủ yếu các cầu trên địa bàn tỉnh Trà Vinh
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ ĐÁNH GIÁ NĂNG LỰC CHỊU TẢI VÀ CÁC GIẢI PHÁP NÂNG CAO NĂNG LỰC CHỊU TẢI CỦA CẦU
2.1. Cơ sở pháp lý đánh gıá năng lực chịu tải của cầu
2.2..đánh gıá năng lực chịu tải của cầu thạnh phú trên đường tỉnh 911, tỉnh Trà Vinh
CHƯƠNG 3. ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP NÂNG CẤP TẢI TRỌNG ĐỐI VỚI CẦU THẠNH PHÚ TRÊN ĐƯỜNG TỈNH 911, TỈNH TRÀ VINH
3.1. Một số giải pháp gia cường trong cầu BTCT và BTCT dự ứng lực
3.2. Thiết kế gia cường kết cấu nhịp cầu Thạnh Phú
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CẦU TRÊN ĐỊA BÀN
1.1. SƠ LƯỢC ĐẶC ĐIỂM VÀ TÌNH HÌNH KINH TẾ – XÃ HỘI TỈNH TRÀ VINH
Trà Vinh là một tỉnh nằm phía Đông đồng bằng sông Cửu Long có vị trí tọa độ giới hạn từ 9°31’46” đến 10°4’5″ vĩ độ Bắc và từ 105°57’16” đến 106°36’04” kinh độ Đông. Phía Bắc và Tây Bắc giáp tỉnh Vĩnh Long, phía Đông Bắc giáp tỉnh Bến Tre ngăn cách bởi sông Cổ Chiên (một nhánh sông Tiền), phía Tây Nam giáp tỉnh Sóc Trăng ngăn cách bởi sông Hậu, Nam và Đông Nam giáp biển Đông với hơn 65km bờ biển, nơi có 2 cửa sông (Cổ Chiên và Định An).
Trà Vinh cách Thành phố Hồ Chí Minh 200km đi theo hướng Quốc lộ 53, khoảng cách chỉ còn 130km nếu đi theo hướng Quốc lộ 60 và cách Thành phố Cần Thơ 95km.
1.2. HIỆN TRẠNG MẠNG LƯỚI GIAO THÔNG TRÊN ĐỊA BÀN TỈNH TRÀ VINH
Hiện trạng mạng lưới giao thông được thể hiện qua bản đồ quy hoạch giao thông đến năm 2020 và tầm nhìn đến năm 2030 như ở Hình 1.1.
Hình 1.1. Bản đồ quy hoạch giao thông tỉnh Trà Vinh
Hiện nay hệ thống giao thông trên địa bàn tỉnh toàn tỉnh có 03 tuyến Quốc lộ, 06 tuyến Đường tỉnh và 42 tuyến Đường huyện với tổng chiều dài 927,54km (trong đó có trên 800km đường nhựa) ngoài ra còn có các tuyến đường giao thông nông thôn với tổng chiều dài trên 2.500km với kết cấu bằng đan bê tông cốt thép, cấp phối,… và trên 200km đường Đô thị được nhựa hóa.
Đây là tuyến đường huyết mạch nối từ QL.1 (Vĩnh Long) qua nhiều trung tâm kinh tế xã hội của tỉnh Trà Vinh và đấu nối vào QL.54 tại xã Tập Sơn, huyện Trà Cú và cũng là tuyến đối ngoại độc đạo của tỉnh (đến thời điểm hiện nay); với tổng chiều dài toàn tuyến là 168km. Đoạn đi qua tỉnh Trà Vinh dài 126,5km, bắt đầu từ cầu Mây Tức ranh tỉnh Vĩnh Long và kết thúc giao QL.54 huyện Trà Cú (Trà Vinh), mặt đường nhựa rộng từ 7m đến 11m, nền đường rộng từ 9m đến 12m; riêng các đoạn qua khu vực Đô thị mặt đường nhựa rộng từ 12m đến 21m, nền đường rộng từ 16m đến 33m.
Là tuyến đường trục ngang nối từ cầu Vàm Cống (tỉnh Đồng Tháp), cắt qua QL.1 địa phận tỉnh Vĩnh Long và kết thúc tại Thành phố Trà Vinh (giao với QL.53) với tổng chiều dài 152km. Đoạn đi qua tỉnh Trà Vinh dài 66,5km, bắt đầu từ ranh Vĩnh Long và kết thúc giao QL.53 Thành phố Trà Vinh, mặt đường nhựa rộng từ 6m đến 8m, nền đường rộng 9m.
Được xác định là tuyến trục dọc ven biển: Bắt đầu từ ngã ba Trung Lương (QL.1) qua các tỉnh Tiền Giang, Bến Tre, Trà Vinh và Sóc Trăng để giáp nối lại QL.1. Đây là tuyến đường ven biển vừa đảm bảo an ninh quốc phòng vừa phá thế độc đạo của QL1, rút ngắn khoảng cách đến Thành phố Hồ Chí Minh đối với các tỉnh ven biển Đồng bằng Sông Cửu Long (từ 60km đến 80km), toàn tuyến có chiều dài 110km. Đoạn đi qua tỉnh Trà Vinh dài 43km, bắt đầu từ cầu Cổ Chiên, xã Đức Mỹ, huyện Càng Long và kết thúc tại phà Đại Ngãi, thị trấn Cầu Quan, huyện Tiểu Cần, mặt đường nhựa rộng từ 6m đến 8m, nền đường rộng 9m.
(1) ĐT.911: Dài 56,6km, điểm đầu giáp ranh tỉnh Vĩnh Long (ĐT.906), mặt đường nhựa rộng 5,5m, nền đường rộng 9m.
(2) ĐT.912: Dài 36,94km, điểm đầu giao QL.54 xã Tân Hùng, huyện Tiểu Cần, điểm cuối thị trấn Mỹ Long, huyện Cầu Ngang, mặt đườngnhựa rộng 6m, nền đường rộng 9m.
(3) ĐT.913: Dài 28,7km, điểm đầu giao QL.53 Thị xã Duyên Hải, điểm cuối tại trrung tâm xã Đông Hải, mặt đường nhựa rộng 5,5m, nền đường rộng 6,5m (Nay chuyển thành QL.53B).
(4) ĐT.914: Dài 36,5km, điểm đầu giao QL.53 xã Đại An, huyện Trà Cú, điểm cuối giáp đê Hiệp Thạnh, thị xã Duyên Hải, mặt đường nhựa rộng 4 – 6m, nền đường rộng từ 6,5 – 9m.
(5) ĐT.915: Dài 49,8km, điểm đầu giáp sông Tân Dinh (ranh Vĩnh Long), điểm cuối giáp QL.53 xã Đại An, huyện Trà Cú, mặt đường nhựa rộng 5,5 – 7m, nền đường rộng 9m.
(6) ĐT.915B: Dài 48,94km, điểm đầu giao QL.60 (đường dẫn vào cầu Cổ Chiên) tại xã Đức Mỹ, huyện Càng Long, điểm cuối giáp ĐT.914, xã Hiệp Thạnh, thị xã Duyên Hải, đang đầu tư giai đoạn I từ giao QL.60 (đường dẫn vào cầu Cổ Chiên) đến cầu Long Bình 3, dài 10,26km, qui mô cấp III đồng bằng. Đoạn II từ cầu Long Bình 3 đến giáp ĐT.914, xã Hiệp Thành, dài 38,68km hiện là đường đất, chạy theo tuyến đê, qui hoạch đạt cấp IV đồng bằng.
Đường huyện có 42 tuyến với tổng chiều dài 462,77km, trong đó có 406,57km đường láng nhựa (chiếm 87,86%), 33,2km là đường đất (chiếm 7,17%) và 23,0km đường có kết cấu mặt bằng bê tông cốt thép (chiếm 4,97%). Tất cả các tuyến đã được đầu tư đảm bảo đạt tiêu chuẩn cấp VI đồng bằng, còn lại 33,2km đường đất cũng đã lập dự án đầu tư đảm bảo về quy mô và tiêu chuẩn trên toàn tuyến.
1.2.2. Hệ thống cầu trên đường bộ
Hệ thống cầu trên địa bàn tỉnh có 189 cầu; trong đó Quốc lộ 51 cầu với tổng chiều dài là 2.612,5md, Đường tỉnh 41 cầu với tổng chiều dài là 2.596,1dm và Đường huyện 97 cầu với tổng chiều dài là 3.712,5dm.
Tổng số lượng cầu bê tông cốt thép là 170 cây, quy mô cầu bê tông cốt thép vĩnh cửu với tổng chiều hơn 8.362md. Trong đó:
– Đối với hệ thống đường Quốc lộ có 51 cầu với tổng chiều dài là 2.631,5md khổ cầu đảm bảo cho 02 làn xe lưu thông (chiều rộng phần xe chạy trung bình từ 7,0m – 12,0m), tải trọng từ 25 đến 30 tấn trở lên phục vụ tốt cho viện vận chuyện hàng hóa.
– Đối với hệ thống Đường tỉnh có 41 cầu với tổng chiều dài 2.596,14dm khổ cầu đảm bảo cho 02 làn xe lưu thông (chiều rộng phần xe chạy trung bình từ 5,0m – 7,0m (Riêng cầu Ba Động và cầu Kênh II trên Đường tỉnh 913 chiều rộng phần xe chạy chỉ có 4,0m), tải trọng khai thác của các cầu trên Đường tỉnh từ 10 đến 30 tấn.
– Đối với hệ thống Đường huyện có 97 cầu với tổng chiều dài là 3.712,5dm, về khổ cầu rộng từ 2m đến 7m, tải trọng từ 1,5 tấn đến 18 tấn.
Trên địa bàn tỉnh hiện nay có 19 cầu thép với tổng chiều dài 558,32md, trong đó chiếm đa số là cầu thép trên Đường huyện (16 cầu, tổng chiều dài là 483,32md), trên Đường tỉnh (03 cầu, dài 75m). Cầu thép được đầu tư với tải trọng thấp từ 2,8 tấn đến 13 tấn, khổ cầu từ 2,7m đến 5,5m.
1.3. HIỆN TRẠNG HƯ HỎNG CHỦ YẾU CÁC CẦU TRÊN ĐỊA BÀN TỈNH TRÀ VİNH
Các cầu trên Quốc lộ được đầu tư mạnh mẽ từ năm 2000 cho đến nay nên các cầu đảm bảo khai thác tốt có tải trọng từ 25 tấn trở lên. Quốc lộ có 51 cầu với tổng chiều dài là 2.612,5md.
Trên hệ thống đường tỉnh có 41 cầu, với tổng chiều dài là 2.596,14dm. Qua kết quả kiểm tra thực tế, chỉ có 14 cầu đã xuất hiện các hư hỏng như sau:
(1) Cầu Trà Uông 1
Cầu có kết cấu bằng BTCT với chiều dài 44m gồm 03 nhịp 12 + 20 + 12, sử dụng dầm I BTCT, mặt rộng 7m, tải trọng thiết kế HL93, tải trọng khai thác hiện tại 30 tấn, được đưa vào sử dụng năm 2009. Hiện tại, mặt cầu bị bong tróc lớp bê tông bảo vệ, khe co giãn bị hư hỏng.
(2) Cầu Trà Uông 2
Cầu có kết cấu bằng BTCT, chiều dài 55,8m gồm 03 nhịp 18.6 + 18.6 +18.6, sử dụng dầm I BTCT dự ứng lực, mặt rộng 7m, tải trọng thiết kế H18-XB80, tải trọng khai thác hiện tại 18 tấn, được đưa vào sử dụng năm 2010. Hiện tại, mặt cầu bị bong tróc lớp bê tông bảo vệ.
(3) Cầu Đập Sen
Cầu có kết cấu bằng BTCT, chiều dài 74,46m gồm 03 nhịp 24.54 + 24.54 +24.54, sử dụng dầm I BTCT dự ứng lực, mặt cầu rộng 8m, tải trọng thiết kế H18-XB80, được đưa vào sử dụng năm 2008. Hiện tại hư hỏng khe co giãn, đường vào cầu bị lún sụp, xuất hiện nhiều ổ gà.
(4) Cầu Bờ Xe
Cầu có kết cấu bằng BTCT, chiều dài 18,7m, 01 nhịp, sử dụng dầm I BTCT dự ứng lực, mặt rộng 7m, tải trọng thiết kế HL93, tải trọng khai thác hiện tại 30 tấn, được đưa vào sử dụng năm 2009. Hiện tại, mặt cầu bị bong tróc lớp bê tông bảo vệ, hư hỏng khe co giãn, đường vào cầu bị lún sụp.
(5) Cầu Khưu Mang Cá
Cầu có kết cấu bằng BTCT,có chiều dài 50,34m gồm 03 nhịp 12.5 + 24.25 + 12.5, sử dụng dầm I BTCT dự ứng lực, mặt rộng 9m, tải trọng thiết kế H18-X60, tải trọng khai thác hiện tại 18 tấn, được đưa vào sử dụng năm 2008. Hiện tại, mặt cầu có dấu hiệu rạn nứt mặt dưới, mặt trên lớp bê tông nhựa bảo vệ bị bong tróc, mố bị xói và lún sụp tường trước mố
(6) Cầu Tập Ngãi
Cầu có kết cấu bằng BTCT 01 nhịp chiều dài 25,24m, sử dụng dầm I BTCT dự ứng lực, mặt rộng 9m, tải trọng thiết kế H18-X60, tải trọng khai thác hiện tại 18 tấn, được đưa vào sử dụng năm 2008. Hiện tại, mặt cầu có dấu hiệu rạn nứt mặt dưới, mặt trên lớp BT nhựa bảo vệ bị bong tróc, mố bị xói và lún sụp tường trước mố.
(7) Cầu Cây Gáo
Cầu có kết cấu bằng BTCT 01 nhịp chiều dài 25,24m, sử dụng dầm I BTCT dự ứng lực, mặt rộng 9m, tải trọng thiết kế H18-X60, tải trọng khai thác hiện tại 18 tấn, được đưa vào sử dụng năm 2008. Hiện tại, mặt cầu có dấu hiệu rạn nứt mặt dưới; Tuy nhiên, mố trụ và dầm còn tốt chưa xuất hiện dấu hiệu bất thường.
(8) Cầu Đại Sư
Cầu có kết cấu thép liên hợp BTCT chiều dài 72 m gồm 03 nhịp 21 + 30 + 21, 02 nhịp biên sử dụng dầm thép I1100, nhịp giữa sử dụng dầm thép I 1.540, bề rộng cầu 6,3m, phần xe chạy 5,5m, tải trọng thiết kế H18-X60, tải trọng khai thác hiện tại 13 tấn, được đưa vào sử dụng năm 2000. Hiện tại, mặt cầu lớp nhựa bảo vệ bị bong tróc, mặt cầu bị nứt có hiện tượng thấm nước, hệ mặt cầu dao động mạnh, đặc biệt là nhịp giữa khi xe có tải trọng từ 10-13 tấn lưu thông qua cầu, bê tông thân mố bị nứt, tường cánh bị xói và lún sụt, bê tông gờ chắn và hệ thống lan can bị nứt vỡ.
(9) Cầu Ba Động
Cầu có kết cấu bằng BTCT, có chiều dài 122,7m, gồm 05 nhịp 24.54m, sử dụng dầm I BTCT dự ứng lực, khổ cầu rộng 4,6m, tải trọng thiết kế H13-X60, được đưa vào sử dụng năm 2000, tải trọng khai thác hiện tại 10 tấn. Hiện tại, mặt cầu bị bong tróc, khe co giãn bị hư hỏng, đầu dầm và hệ lan can xuất hiện vết nứt.
(10) Cầu Kênh II
Cầu có kết cấu mố, trụ bằng BTCT, mặt lát gỗ rộng 3,3m, có chiều dài 36m, 03 nhịp 12m, sử dụng dầm thép I, tải trọng thiết kế 10 tấn, tải trọng khai thác hiện tại 8 tấn, cầu được sửa chữa gia cường đưa vào sử dụng năm 2013. Hiện tại, dầm I bị rỉ, cọc tại mố bị nứt dọc.
(11) Cầu Sông Giăng
Cầu có kết cấu bằng BTCT, có chiều dài 73,5m, 03 nhịp 24.54m, sử dụng dầm I BTCT dự ứng lực, mặt rộng 7m, tải trọng thiết kế H13-XB60, tải trọng khai thác hiện tại 18 tấn, được đưa vào sử dụng năm 2007. Hiện tại, mặt cầu rạn nứt cục bộ.
(12) Cầu Tân An
Cầu có kết cấu bằng BTCT, có chiều dài 70,4m, gồm 03 nhịp, sử dụng dầm I BTCT dự ứng lực, mặt rộng 5,5m, tải trọng thiết kế H13-X60, tải trọng khai thác hiện tại 13 tấn, được đưa vào sử dụng năm 2002. Hiện tại, mặt cầu bị rạn nứt, tường mố bị nứt, đầu dầm, hệ lan can xuất hiện vết nứt, đường vào cầu cầu bị lún….
(13) Cầu Thạnh Phú
Cầu có kết cấu bằng BTCT với chiều dài 73,8m, gồm 03 nhịp 24.54m, sử dụng dầm I BTCT dự ứng lực căng trước, bề rộng mặt cầu 7,0m, bề rộng lớp phủ mặt cầu 6,0m, hoạt tải thiết kế 18 tấn, tải trọng khai thác hiện tại 18 tấn, được đưa vào sử dụng năm 2008. Hiện tại các khe co giản bị biến dạng cơ bản vẫn còn sử dụng được, lớp phủ mặt cầu còn tốt, mô đất hình nón bị nứt nẻ có dấu hiệu bị sụt trượt.
(14) Cầu Ba Sát
Cầu có kết cấu bằng BTCT với chiều dài 36m, gồm 03 nhịp 12m, sử dụng dầm I BTCT, mặt rộng 5,5m, tải trọng khai thác hiện tại 10 tấn, được đưa vào sử dụng năm 2002. Hiện tại các khe co giản bị biến dạng hư hỏng, dầm chủ, tường mố bị rạn nứt lộ cốt thép, mái ta ly đường vào cầu bị nứt nẻ có dấu hiệu bị sụt trượt.
1.3.3. Một số hư hỏng đặc trưng của các cầu trên địa bàn tỉnh Trà Vinh
1.3.3.1. Các hư hỏng đặc trưng đối với kết cấu cầu thép
– Cấp 0: Lớp sơn các cấu kiện dàn chủ bị hỏng ở vài chổ riêng lẻ, cấu kiện hệ liên kết bị cong cục bộ.
– Cấp I: Rỉ ít ở các cấu kiện dàn chủ, phần xe chạy bản nút, cấu kiện liên kiết, một số đinh tán bị lỏng yếu một cách các biệt, một số cấu kiện riêng lẻ bị biến dạng.
– Cấp II: Rỉ nặng phần xe chạy, bản nút cấu kiện liên kết. Rỉ ít ở cấu kiện chính của dàn, cả nhóm đinh nối các cấu kiện chính bị lỏng yếu. Một vài liên kết cá biệt bị đứt.
– Cấp III: Rỉ nặng ở các cấu kiện dàn chủ, phần xe chạy, bản nút và cấu kiện liên kết, gây ra giảm yếu tiết diện chịu lực, quá 10% lỏng đinh tán, có vết nứt mới ở cấu kiện dàn chủ, biến dạng và đứt thanh xiên dàn do hư hỏng cơ học vì tàu xe đâm va.
1.3.3.2. Các hư hỏng đặc trưng đối với kết cấu cầu bê tông cốt thép
– Cấp 0: Các vết nứt cá biệt trên bề mặt bê tông có độ rộng ≤ 0.2mm, vỡ lớp bảo hộ ở vài chổ nhưng không lộ cốt thép.
– Cấp I: Nhiều vết nứt trong bê tông có độ mở rộng ≤ 0.2mm, vỡ lớp bê tông bảo hộ, lõi cốt thép ở một số chổ riêng lẻ, có hiện tượng khữ kiềm bê tông và xuất hiện vết nhũ vôi ở một số chổ riêng lẻ trên bề mặt bê tông.
– Cấp II: Các vết nứt riêng lẻ có độ rỗng ≤ 0.3mm, trong đó có các vết nứt xuyên, vết nứt nghiêng ở sườn dầm, hư hỏng nặng bê tông bản do sự khử kiềm. Hư hỏng nặng lớp bê tông bảo hộ và rỉ cốt thép. Vết nứt trong kết cấu dự ứng lực quá 0,1 – 0,15mm. Hư hỏng liên kết ngang giữa các dầm chủ.
– Cấp III: Nhiều vết nứt lớn quá 0,3mm. Rỉ nặng cốt thép đến mức làm giảm yếu cốt thép hơn 10%. Hư hỏng nặng bê tông trên phần lớp bản.
Một số hình ảnh hư hỏng đặc trưng của các công trình cầu trên địa bàn tỉnh Trà Vinh được thể hiện trên các Hình 1.2 đến 1.7.
Hình 1.2. Nứt tường hộ lan cầu
Hình 1.3. Hư hỏng lớp bê tông bảo vệ mặt cầu
Hình 1.4. Hư hỏng lớp bê tông bảo vệ gờ lan can
Hình 1.6. Hư hỏng nặng lớp bê tông bảo vệ và cốt thép dầm chủ
Hình 1.7. Rỉ nặng cấu kiện dầm chủ, liên kết ngang cầu thép
Qua kết quả kiểm tra khảo sát các cầu trên địa bàn tỉnh Trà Vinh cho thấy rằng các cầu BTCT có các hư hỏng phổ biến đó là lớp bê tông bảo vệ mặt cầu bị bong tróc, bê tông bản mặt cầu bị nứt, khe co giãn bị hư hỏng, bê tông lan can bị nứt vỡ lộ cốt thép, dầm chủ bong tróc bê tông lộ cốt thép, đường vào cầu bị lún sụp, xuất hiện nhiều ổ gà …. Đối với cầu thép, các hư hỏng chủ yếu là thép bị rỉ, các dầm dọc và dầm ngang bị rỉ nặng gây giảm yếu tiết diện ….
Từ những kết quả khảo sát các hư hỏng nêu trên, trong khi ngân sách của tỉnh Trà Vinh và Trung ương còn hạn chế chưa thể đầu tư xây dựng mới thì việc đánh giá năng lực chịu tải của cầu để có giải pháp sửa chữa, nâng cấp là rất cần thiết trong giai đoạn hiện nay; Đồng thời đánh giá lại việc cắm biển tải trọng cầu tại thời điểm khảo sát so với QCVN 41:2016/BGTVT của Bộ GTVT để các loại xe có số lượng trục khác nhau, có tải trọng khác nhau có thể hợp pháp qua cầu mà không gây nguy hiểm cho kết cấu. Trên cơ sở đó đề xuất chọn cầu Thạnh Phú trên Đường tỉnh 911 để tiến hành thực nghiệm và đánh giá năng lực chịu tải thực tế của cầu. Từ đó, đề xuất giải pháp nâng cao năng lực chịu tải của cầu.
CƠ SỞ ĐÁNH GIÁ NĂNG LỰC CHỊU TẢI VÀ CÁC GIẢI PHÁP NÂNG CAO NĂNG LỰC CHỊU TẢI CỦA CẦU
2.1. CƠ SỞ PHÁP LÝ ĐÁNH GIÁ NĂNG LỰC CHỊU TẢI CỦA CẦU
Căn cứ Luật Giao thông đường bộ số 23/2008/QH12 ngày 13/11/2008;
Căn cứ Nghị định 46/2015/NĐ-CP ngày 12/05/2015 của Chính phủ về Quản lý chất lượng và bảo trì công trình;
Căn cứ Nghị định số 11/2010/NĐ-CP ngày 24/02/2010 của Chính phủ quy định về quản lý và bảo vệ kết cấu hạ tầng giao thông đường bộ và Nghị định số 100/2013/NĐ-CP ngày 03/9/2013 của Chính phủ về sửa đổi, bổ sung một số điều Nghị định số 11/2010/NĐ-CP;
Căn cứ QCVN 41: 2016/BGTVT về Quy chuẩn kỹ thuật Quốc gia về báo hiệu đường bộ;
Căn cứ Thông tư số 84/2014/TT-BGTVT ngày 31/12/2014 của Bộ Giao thông Vận tải Quy định về tổ chức giao thông và đặt biển báo hiệu hạn chế trọng lượng xe qua cầu đường bộ;
Căn cứ Thông tư số 46/2015/TT-BGTVT ngày 07/9/2015 của Bộ Giao thông Vận tải Quy định về tải trọng, khổ giới hạn của đường bộ; lưu hành xe quá tải trọng, xe quá khổ giới hạn, xe bánh xích trên đường bộ; vận chuyển hàng siêu trường, siêu trọng; giới hạn xếp hàng hóa trên phương tiện giao thông đường bộ khi tham gia giao thông trên đường bộ;
Công văn số 5382/BGTVT-KCHT ngày 13 tháng 5 năm 2014 của Bộ Giao thông Vận tải về việc rà soát và thay thế biển báo giới hạn tải trọng cầu đường bộ;
Hệ thống cầu đường bộ trên địa bàn tỉnh Trà Vinh đang khai thác hiện nay chủ yếu thiết kế theo tiêu chuẩn 22TCN 18-79 và tiêu chuẩn 22TCN 272-05. Trên cơ sở đánh giá năng lực chịu tải của cầu để có giải pháp thiết kế nâng cao năng lực chịu tải của cầu, đồng thời tính được tải trọng chính xác để cắm biển tải trọng theo QCVN 41:2016/BGTVT, do đó chọn đánh giá cầu theo hướng dẫn AASHTO LRFR 2011.
2.1.2. Các phương pháp thử tải cầu [2], [3]
2.1.2.1. Phương pháp thử tải với tải trọng tĩnh
– Những nội lực do tải trọng thử nghiệm gây ra xuất hiện ở bất kỳ bộ phận nào của công trình cũng không được vượt quá:
+ Nội lực do hoạt tải thẳng đứng tức thời gây ra đã được chấp nhận trong thiết kế với hệ số an toàn về tải trọng (hệ số vượt tải) bằng một và hệ số động khi thử nghiệm các công trình tính toán theo trạng thái giới hạn.
+ 120% nội lực do tải trọng thẳng đứng tức thời gây ra đã được chấp nhận trong thiết kế với hệ số động khi thử nghiệm các công trình tính toán theo ứng suất cho phép (theo tiêu chuẩn hiện hành).
+ Nội lực do hoạt tải thẳng đứng tức thời gây ra, tương đương với năng lực chịu tải đứng của công trình.
– Những nội lực do tải trọng thử nghiệm gây ra trên các bộ phận của công trình được thử nghiệm không được nhỏ hơn các trị số nội lực do hoạt tải nặng nhất (các xe đặc biệt nặng) chạy trên đường gây ra.
– Trọng lượng các phương tiện vận tải được sử dụng làm tải trọng thử nghiệm cần được kiểm tra, xác minh trước khi tiến hành công việc. Sai số về trọng lượng của các tải trọng thử nghiệm này phải nhỏ hơn 5%.
– Trọng lượng ô tô chưa chất tải cho phép lấy theo số liệu ở lý lịch xe.
– Trước khi bắt đầu thử nghiệm nếu cần người lãnh đạo công việc thử nghiệm sẽ chuẩn xác hóa thêm sơ đồ chất tải đã dự kiến trước trong đề cương hay kế hoạch, có xét đến thành phần thực tế và trọng lượng đúng của tải trọng thử nghiệm.
– Lần chất tải đầu tiên lên công trình cần tiến hành từ từ, kiểm tra sự làm việc của kết cấu ở từng giai đoạn theo chỉ số đọc được ở máy đo. Thời gian lưu tải trọng thử nghiệm ở mỗi vị trí định trước, được xác định tùy thuộc theo độ ổn định của máy đo: Độ sai lệch của biến dạng quan sát thấy trong 5 phút không được vượt quá 5%.
– Việc chất tải thử nghiệm lên các bộ phận của cầu đang khai thác thực hiện số lần chất tải lập lại 2 đến 3 lần (kể cả lần chất tải lần thứ nhất), tùy thuộc vào mức độ quan trọng của công trình mà người lãnh đạo thí nghiệm quyết định.
– Vị trí đặt dụng cụ đo đạc phải lựa chọn sao cho sau khi thử nghiệm có được hình ảnh tương đối đầy đủ về sự làm việc của kết cấu dưới tác dụng của tải trọng tức thời. Để đo chuyển vị và biến dạng cần phải chọn những chi tiết và bộ phận kết cấu làm việc nguy hiểm (bất lợi) nhất dưới tải trọng cũng như các chi tiết và các liên kết cần được kiểm tra theo kết quả khảo sát hoặc theo các số liệu khác.
2.1.2.2. Phương pháp thử tải với tải trọng động
Tùy theo các nhiệm vụ đặt ra, thử nghiệm động được tiến hành nhằm:
+ Xác định các đại lượng động do các hoạt tải động thực tế gây ra.
+ Xác định các đặc trưng động cơ bản của công trình: Các tần số và các dạng dao động riêng, độ cứng động của công trình, các đặc trưng tắt dần của dao động.
Để thử nghiệm nhằm làm sáng tỏ các đại lượng của tác dụng động do các tải trọng động gây ra, cần sử dụng các tải trọng nặng có thể đi dọc mặt cầu có gồ ghề, thì chúng sẽ làm phát sinh trong kết cấu các dao động, các xung lực, các quá tải cục bộ …
Để xác định các đặc trưng động của công trình cần phải sử dụng các loại tải trọng di động (hoạt tải), tải trọng rung, tải trọng gió, và các loại có khả năng làm phát sinh các dao động ổn định (trong đó có cả dao động tự do).
Những nơi đặt tải trọng gây dao động cũng như những nơi đo biến dạng cần phải được chọn, có xét đến các loại và các dao động dự kiến xuất hiện.
Khi thử cầu bằng tải trọng động phải cho xe chạy qua cầu nhiều lần với các tốc độ khác nhau để làm rõ tính chất làm việc động của công trình. Tốc độ xe chạy trên cầu gồm 20, 30, 40, 50 và 60km/h, mỗi loại tốc độ phải chạy ít nhất 2 lần, tùy thuộc vào mỗi công trình cụ thể mà người chủ trì thí nghiệm quyết định với mỗi loại tốc độ.
Trong thời gian thử động, bằng các dụng cụ đo đạc tự ghi, cần phải ghi được các gia tốc và chuyển vị của cầu.
2.1.2.3. Tải trọng thử và các sơ đồ tải trọng
Đối với thử tải động và thử tải tĩnh, tải trọng thử có thể là các xe được lưu thông trên công trình. Trước khi tiến hành thử tải cần xác định lại tải trọng thử bằng cân chuyên dụng, sai số cho phép không được vượt quá 5%.
Tùy theo đặc điểm và yêu cầu của từng công trình mà có nhiều sơ đồ tải trọng khác nhau. Tuy nhiên, thường có 3 sơ đồ tải trọng chính:Đúng tâm, lệch tâm trái và lệch tâm phải.
2.1.3. Các phương pháp đánh giá cầu [2]
Theo tiêu chuẩn AASHTO, đối với công trình cầu đường bộ hiện nay có 3 phương pháp đã dùng để đánh giá tải trọng:
– Đánh giá theo hệ số tải trọng và hệ số sức kháng (LRFR) [2].
– Đánh giá theo ứng suất cho phép (ASR) [2].
– Đánh giá theo hệ số tải trọng (LFR) [2].
Về nguyên tắc, bất kỳ phương pháp nào cũng có thể dùng để đánh giá tải trọng khai thác của cầu. Tuy nhiên, ở Việt Nam phương pháp đánh giá theo hệ số tải trọng và hệ số sức kháng (LRFD) là phù hợp với tiêu chuẩn thiết kế cầu 22TCN 272-05 nên được áp dụng rộng rãi.
Thông thường khi đánh giá cầu chỉ xét tải trọng thường xuyên và tải trọng xe. Không xét va xô của tầu, thuyền, gió, lũ, hỏa hoạn, động đất. Các cầu nhịp lớn, cầu di động và các cầu phức tạp cần bổ sung thêm tiêu chí đánh giá nếu cần thiết.
2.1.4. Đánh giá cầu theo hệ số sức kháng và hệ số tải trọng [2]
Đánh giá cầu theo hệ số sức kháng và hệ số tải trọng bao gồm ba nội dung:
– Đánh giá tải trọng thiết kế.
– Đánh giá tải trọng hợp pháp.
– Đánh giá tải trọng cấp phép.
Trong phạm vi đề tài chỉ chú trọng đến hai cấp đánh giá tải trọng là đánh giá tải trọng thiết kế và đánh giá tải trọng hợp pháp để đánh giá tải trọng cầu phục vụ cắm biển hạn chế tải trọng cầu theo QCVN41:2016/BGTVT. Khi cần đánh giá tải trọng cấp phép thì thực hiện theo Hướng dẫn đánh giá cầu AASHTO 2014.
2.1.4.1. Đánh giá tải trọng thiết kế
Theo phương pháp đánh giá cầu theo hệ số tải trọng và sức kháng, tải trọng đánh giá cấp thiết kế là hoạt tải HL93. Tải trọng đánh giá cấp thiết kế được đánh giá ở 02 cấp độ:
– Độ tin cậy ở cấp độ thiết kế Inventory Rating (viết tắt là IR) kết cấu cầu có thể sử dụng cầu an toàn trong tuổi thọ thiết kế.
– Độ tin cậy cấp thấp hơn Operating Rating (viết tắt là OR) là đánh giá với hoạt tải cho phép lớn nhất có thể qua cầu, khi khai thác không giới hạn ở cấp độ OR sẽ làm giảm tuổi thọ của công trình cầu.
Các cầu đạt với kiểm toán hoạt tải thiết kế ở cấp độ IR (hệ số đánh giá RF ≥ 1) thì cũng đạt khi đánh giá cho tải trọng thiết kế cấp OR và mọi tải trọng hợp pháp.Hệ số RF được xác định như sau:
(2.1)
Trong đó: Hệ số tải trọng của trọng lượng bản thân kết cấu;
Hệ số tải trọng của trọng lượng lớp phủ mặt cầu;
Hệ số tải trọng của tải trọng thường xuyên không phải của kết cấu;
Hệ số tải trọng của hoạt tải;
Hiệu ứng do tải trọng bản thân kết cấu gây ra;
Hiệu ứng do tải trọng lớp phủ mặt cầu gây ra;
Hiệu ứng do tải trọng thường xuyên không phải kết cấu gây ra;
Hiệu ứng do hoạt tải gây ra;
Tải trọng xung kích.
2.1.4.2. Đánh giá tải trọng hợp pháp
Tải trọng hợp pháp là các xe 3, 3-S2 và 3-3 (Hình 2.1), cụ thể như sau:
– Xe 3 có ba trục, chiều dài cơ sở 5,7m, tải trọng 223kN;
– Xe 3-S2 có 5 trục, chiều dài cơ sở 12,5m, tải trọng 321kN;
– Xe 3-3 có 6 trục, chiều dài cơ sở 16,5m, tải trọng 356kN.
Hình 2.1. Các loại xe đánh giá
Khi đánh giá tải trọng hợp pháp (xe 3, 3-S2 và 3-3), nếu chiều dài nhịp lớn hơn 24m thì ngoài xe hợp pháp còn có các xe khác trên nhịp, tải trọng của các xe này được thay bằng tải trọng làn lấy là 3kN/m [2].
Việc đánh giá tải trọng hợp pháp chỉ tiến hành khi hệ số đánh giá tải trọng thiết kế cấp OR nhỏ hơn 1. Khi đó cần phải cắm biển hạn chế tải trọng (biển 505b) theo QVCN 41-2016 [2].
2.1.4.3. Đánh giá tải trọng cấp phép
Đây là cấp đánh giá tải trọng thứ ba, cấp này chỉ áp dụng cho các cầu không cắm biển hạn chế tải trọng, nghĩa là khi đánh giá tải trọng thiết kế và đánh giá tải trọng hợp pháp có hệ số đánh giá RF ≥ 1. Đánh giá tải trọng cấp phép là kiểm toán sự an toàn và khả năng chịu tải của cầu trong quá trình cấp phép cho các phương tiện có tải trọng vượt quá giới hạn cho phép.
Ở nước ta hiện nay chỉ có xe siêu trường, siêu trọng mới xin cấp phép và giấy phép thường cấp cho một chuyến đi hoặc một số chuyến đi trên những tuyến nhất định.
Căn cứ vào thông số của xe xin cấp phép (lưu lượng xe qua cầu, cấu hình xe, tải trọng trục xe, tải trọng tổng cộng, …) phải tiến hành tính toán hệ số đánh giá RF, từ đó quyết định có cấp phép hay không. Khi đánh giá cầu theo tải trọng cấp phép cũng cần phải chỉ rõ các điều kiện giao thông lưu thông trên cầu (cấm các xe khác qua cầu, hạn chế tốc độ, …) phù hợp với mô hình kiểm toán để đảm bảo an toàn và tuổi thọ cho công trình cầu.
2.1.5. Quy trình đánh giá tải trọng theo phương pháp đánh giá hệ số tải trọng và hệ số sức kháng [2]
2.1.5.1. Trình tự đánh giá
Có 3 quy trình đánh giá tải trọng phù hợp với đánh giá theo hệ số tải trọng và hệ số sức kháng:
– Đánh giá tải trọng thiết kế (cấp đánh giá thiết kế).
– Đánh giá tải trọng hợp pháp (cấp đánh giá thứ hai).
– Đánh giá tải trọng cấp phép (cấp đánh giá thứ ba).
Mỗi quy trình có một tải trọng cụ thể với các hệ số tải trọng được hiệu chỉnh đặc biệt nhằm đảm bảo mức độ tin cậy như nhau và có thể chấp nhận được trong mọi đánh giá và được đánh giá theo trình tự được thể hiện trên Hình 2.1
Hình 2.2. Trình tự đánh giá tải trọng hợp pháp
2.1.5.2. Công thức đánh giá tải trọng
Công thức (2.1) có thể được viết gọn lại như sau:
(2.2)
Trong đó: RF Hệ số đánh giá;
C Khả năng chịu tải của bộ phận đánh giá;
DL Hiệu ứng của tải trọng thường xuyên;
LL Hiệu ứng của hoạt tải đánh giá;
HL= C – DL là khả năng chịu hoạt tải.
Khi RF ≥ 1 tức là khả năng chịu hoạt tải lớn hơn hoặc bằng hiệu ứng của hoạt tải, bộ phận đánh giá khai thác được với hoạt tải đánh giá, trái lại khi RF < 1 bộ phận đánh giá không khai thác được với hoạt tải đánh giá.
Việc đánh giá tải trọng được biểu thị tổng quát như là một hệ số đánh giá đối với một dạng tải trọng động nhất định, sử dụng công thức đánh giá tổng quát.
Theo AASHTO LRFD, quá trình đánh giá được thực hiện tại mỗi trạng thái giới hạn áp dụng và hiệu ứng tải với giá trị nhỏ nhất xác định hệ số đánh giá điều khiển.
Công thức tổng quátđược sử dụng để xác định mức đánh giá tải trọng của mỗi cấu kiện đối với một hiệu ứng tải trọng riêng lẽ.
E:\DỮ LIỆU COP CỦA CHỊ YẾN\DAI HOC DA NANG\CONG TRINH GIAO THONG\PHAN VAN TRUNG
