BÁO CÁO TÓM TẮT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHCN: NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ DÀI HẠN CỦA GỐI CẦU CAO SU CỐT BẢN THÉP CHO DẦM LIÊN TỤC (ĐÚC HẪNG).TS.Nguyễn Thị Cẩm Nhung

Trong quá trình nghiên cứu nhóm tác giả đã làm rõ được các vấn đề Nghiên cứu tổng quan các kết cấu gối cầu sử dụng cho cầu bê tông nhịp lớn + Nghiên cứu tổng quan về các dạng kết gối cầ

BÁO CÁO TÓM TẮT

ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP BỘ

TÊN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ DÀI HẠN CỦA GỐI CẦU CAO SU CỐT BẢN THÉP CHO DẦM LIÊN TỤC (ĐÚC HẪNG)

Mã số: DT184064

CƠ QUAN CHỦ TRÌ : TỔNG CỤC ĐƯỜNG BỘ VIỆT NAM

CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI : TS NGUYỄN THỊ CẨM NHUNG

BÁO CÁO TÓM TẮT

ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP BỘ

TÊN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ DÀI HẠN CỦA GỐI CẦU CAO SU CỐT BẢN THÉP CHO DẦM LIÊN TỤC (ĐÚC HẪNG)

“Nghiên cứu ứng xử dài hạn của gối cầu cao su cốt bản thép cho dầm liên

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ GỐI CẦU SỬ DỤNG TRONG CÔNG TRÌNH CẦU

BÊ TÔNG NHỊP LỚN 2

1.1 Tổng quan về gối cầu và các loại gối cầu sử dụng trong công trình cầu bê tông nhịp lớn 2

1.2 Hiện trạng áp dụng các loại gối cầu cho cầu bê tông DUL nhịp trung và nhịp lớp tại Việt Nam 6

CHƯƠNG 2: Các ứng xử của gối cầu 8

2.1 Ứng xử của gối cầu dưới tác dụng của tải trọng ngắn hạn 8

2.2 Ứng xử của gối cầu dưới tác dụng của tải trọng dài hạn 10

2.3 Ứng xử của gối cầu ngoài giới hạn đàn hồi 12

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ CHI TIẾT GỐI CẦU 14

3.1 Thiết kế gối cầu hiện hành 14

CHƯƠNG 4: CÁC TIÊU CHÍ THÍ NGHIỆM VÀ BẢO TRÌ GỐI CẦU cao su cốt bẢN THÉP CHO CẦU Đúc hẫng 20

4.1 Tiêu chí thí nghiệm gối theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN10308:2014 20

4.2 Tiêu chí thí nghiệm gối theo UIC-772 24

4.3 Tiêu chí thí nghiệm gối theo tiêu chuẩn Châu Âu 24

4.4 Bảo trì gối cầu cao su bản thép 26

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 28

TÀI LIỆU THAM KHẢO 30

Trong quá trình nghiên cứu nhóm tác giả đã làm rõ được các vấn đề

Nghiên cứu tổng quan các kết cấu gối cầu sử dụng cho cầu bê tông nhịp lớn

+ Nghiên cứu tổng quan về các dạng kết gối cầu bê tông nhịp lớn trên thế giới và trong nước

+ Phân tích đặc điểm thiết kế các cầu và sự lựa chọn gối cầu

Khảo sát, đánh giá hiện trạng các gối cầu bê tông nhịp lớn đang khai thác ở Việt Nam

+ Thu thập số liệu về các loại gối cho cầu bê tông nhịp lớn đang sử dụng tại các cầu Cái

Tư, cầu vượt vành đai 2, Cầu vượt sông Nhuệ, cầu Đình vũ, cầu Kiền

+ Xây dựng cơ sở lý thuyết về sự làm việc của gối cầu cao su cốt bản thép Các yêu cầu

về sự làm việc

+ Phân tích tình trạng thí nghiệm và sử dụng gối cầu hiện nay

+ Phân tích sự làm việc của gối cầu cao su cốt bản thép trong các cầu bê tông, đặc biệt

là các cầu bê tông khẩu độ lớn thi công theo công nghệ đúc hẫng

Thiêt kế gối cầu

+ Thiết kế gối cầu theo tiêu chuẩn hiện hành

+ Thí nghiệm xác định đặc tính làm việc của gối cho đến giai đoạn phá hủy

+ Đánh giá sự làm việc của gối theo các trạng thái giới hạn thiết kế khác nhau

+ Đánh giá sự làm việc của gối trong điều kiện biến dạng do ảnh hưởng của các tải trọng dài hạn làm gối bị lún, bị nghiêng

Tiêu chí thiết kế và bảo trì gối cầu

+ Tiêu chí thiết kề và bảo trì gối cầu

+ Dự thảo chỉ dẫn về thiết kế gối cầu

Ngoài sản phẩm chính là Báo cáo tổng kết khoa học của đề tài, Hướng dẫn tính toán, nhóm tác giả đã thực hiện 01 bài báo khoa học liên quan đến đề tài đăng trên Tạp chí Giao thông Vận tải Ngoài ra nhóm nghiên cứu đã xây dựng mô hình phân tích ứng

xử của gối cầu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ GỐI CẦU SỬ DỤNG TRONG CÔNG TRÌNH

CẦU BÊ TÔNG NHỊP LỚN 1.1 Tổng quan về gối cầu và các loại gối cầu sử dụng trong công trình cầu bê tông nhịp lớn

1.1.1 Tổng quan về gối cầu

Gối cầu đặt tại các vị trí liên kết giữa kết cấu phần trên và kết cấu phần dưới, có chức năng đặc biệt quan trọng đối với sự làm việc tổng thể của kết cấu cầu nhằm đảm bảo khả năng chịu tải trọng từ kết cấu phần trên và truyền đến kết cấu phần dưới

Hình 1 1 Vị trí gối cầu

Chức năng của gối cầu là tiếp nhận và truyền tải trọng theo phương nằm ngang và phương thẳng đứng xuống mũ trụ, gối cầu dịch chuyển ngang do tác dụng của giãn nở dầm và xoay do biến dạng dầm

1.1.2 Gối cầu sử dụng trong công trình cầu bê tông nhịp trung và lớn tại Việt Nam

1.1.2.1 Gối chậu và gối hình cầu

Cấu tạo gối chậu và gối hình cầu thể hiện như trong Hình 1.4 và Hình 1.5 Gối hình cầu cho phép dịch chuyển và xoay bằng một tấm bằng đồng có độ bền cao (tấm chịu

Hình 1 2 Các chức năng cơ bản của gối cầu

lực), trong khi gối chậu cho phép dịch chuyển bằng tấm trượt như PTFE cùng với chuyển động xoay bằng tấm cao su trong chậu

Hình 1 3 Cấu tạo gối chậu (hình gối chậu) a) Nguyên lý cấu tạo gối chậu; b) Gối chậu cố định;

c) Gối chậu chuyển vị mọi phương; d) Gối chậu chuyển vị theo một phương

Gối hình cầu thường được sử dụng cho cầu, có tải trọng phía trên lớn, do gối hình cầu chịu lực bằng các tấm thép chịu lực nên tránh được sự lún điểm đặt gối và dao động

So với gối hình cầu thì gối chậu có dịch chuyển nhỏ, nhờ chịu tải bằng các tấm cao su

Hình 1 4 Cấu tạo gối hình cầu a) Nguyên lý cấu tạo; b) Gối chuyển vị mọi phương c) Gối chuyển vị một phương; d) Gối cố định 1.1.2.2 Gối xoay cố định

Gối xoay cố định để chịu tải trọng thẳng đứng với phần hình cầu có thể xoay theo

áp dụng cho cầu quy mô lớn Thép đúc thường được sử dụng làm vật liệu cho đế trên và

đế dưới Ngoài ra, gối xoay cũng có ưu điểm có độ dốc hoặc thoát nước mưa khi mặt phẳng của đế dưới rộng (Hình 1.8)

1.1.2.3 Gối cao su bản thép

Gối cầu cao su có cấu tạo đơn giản với chức năng chịu tải trọng thẳng đứng, chuyển động tịnh tiến và góc xoay bằng các bộ phận cao su Gối cao su có thể áp dụng rộng rãi cho nhiều loại cầu có quy mô nhỏ, trung bình và lớn

Vật liệu cao su mềm để sản xuất gối cầu được chia nhỏ thành nhiều lớp và kết hợp với các lớp thép tấm có khả năng làm việc như một gối cao su Sự di chuyển theo phương ngang được đảm bảo bởi biến dạng cắt của cao su, góc xoay được đảm bảo bởi biến dạng đàn hồi của cao su

Hình 1 5 Cấu tạo gối xoay

Hình 1 6 Cấu tạo gối cầu cao su bản thép

Hình 1.11 Sự làm việc của gối cầu cao su

Các tấm trượt PTFE giữa các bề mặt tương ứng của thép không gỉ liên kết với mặt dưới của lớp cao hơn của gối cầu và do đó sẽ chịu được giãn dài do thay đổi nhiệt độ Cần xem xét khi thiết kế "gối cao su trượt" để chịu chuyển vị ngang lớn với tấm đệm bên trong gối

Hình 1.13 Gối cao su trượt: Quan hệ giữa đặc tính ma sát và biến dạng do cắt 1.1.2.4 Gối cao su loại nửa cứng

Gối cao su loại nửa cứng về cơ bản có cấu tạo giống loại gối cao su bản thép Loại gối cầu này thường được sử dụng cho gối của các cầu có quy mô tương đối lớn với tải trọng thẳng đứng và chuyển vị ngang lớn, do đó các lớp cứng cho các phần cao su chính cũng cần thiết

Hình 1 7 Cấu tạo gối cao su nửa cứng 1.1.2.5 Gối cao su loại giảm chấn

Bề ngoài gối giảm chấn giống gối cầu nửa cứng Cao su giảm chấn tốt được sử dụng cho gối cao su giảm chấn cao (HDRB - High damping rubber bearings) và cao su

tự nhiên kết hợp với chì được sử dụng cho gối cầu cao su chì Hình 1.16 (LRB - Lead rubber bearings)

Hình 1 15 Gối cao su giảm chấn

Gối cao su chì (LRB - Lead rubber bearings) được cấu tạo bởi các lớp thép cán mỏng xen kẽ và lớp cao su lưu hóa với một khối lõi chì đặt ở vị trí trung tâm Sự tiêu hao năng lượng của gối được tạo bới các lõi chì, làm giảm chuyển vị ngang

1.2 Hiện trạng áp dụng các loại gối cầu cho cầu bê tông DUL nhịp trung và nhịp lớp tại Việt Nam

Tại Việt Nam, hầu hết gối cầu ở công trình cầu đường bộ nói chung và các công trình cầu bê tông nhịp lớn nói riêng đều không được bảo trì thường xuyên với một số hư hỏng phổ biến như: nghiêng lệch, han gỉ,… dẫn đến thực tế nhiều gối cầu không còn đảm bảo hoạt động bình thường Nhiều công trình sau một thời gian dài khai thác đưa

vào sử dụng, hầu hết các gối cầu không được bảo dưỡng định kỳ nên kết cấu gối cầu bị nghiêng lệch, han gỉ, hư hỏng, giảm tuổi thọ của kết cấu công trình

Ở một số công trình các biện pháp bảo dưỡng thường xuyên gối cầu tuy đã được thực hiện nhưng chưa mang lại nhiều hiệu quả Do các bộ phận của gối cầu có hình dạng

phức tạp nên việc thi công bảo dưỡng gối cầu gặp nhiều khó khăn

CHƯƠNG 2: CÁC ỨNG XỬ CỦA GỐI CẦU 2.1 Ứng xử của gối cầu dưới tác dụng của tải trọng ngắn hạn

2.1.1 Ứng xử của gối cầu dưới tác dụng của lực nén đúng tâm

Một trong những ứng xử chủ yếu của gối cầu đó là ứng xử trước tải trọng nén Gối cầu được cấu tạo từ cao su, giữa các lớp cao su là các bản thép Việc các bản thép nằn xem giữa các tấm cao su để tăng cường độ cứng cho gối Dưới tác dụng của tải trọng nén, gối cao su có xu hướng nén lại và phình ngang Đây là các ứng xử khi phân tích gối chịu nén thuần túy:

Hình 2.1 Ứng xử của gối cao su bản thép dưới tác dụng của lực nén

2.1.2 Ứng xử của gối cầu dưới tác dụng của lực ngang

Các lực ngang như lực hãm xe, lực do co giãn nhiệt, lực do co ngót từ biến… tác dụng lên kết cấu sẽ được truyền xuống gối nhằm tránh gây hư hỏng cho các kết cấu khác, để đảm bảo chuyển vị này, gối cầu sẽ có các ứng xử sau: các gối sẽ bị lệch đi, sau

đó sẽ dần trở lại trạng thái ban đầu

Nếu lực ngang quá lớn, sẽ gây hiện tượng trượt cho gối, dẫn đến việc gối cầu bị chịu nén lệch tâm, sau đó sẽ trượt hẳn khỏi kết cấu nhịp

Hình 2 3 Ứng xử của gối cầu dưới tác dụng của lực ngang

2.1.3 Ứng xử của gối cầu dưới tác dụng của lực lệch tâm (xuất hiện mô men xoay)

Khi gối chịu lực xoay, gối sẽ vặn đi 1 góc alpha, điều này dẫn đến sự gia tăng ứng suất cắt trong gối, gối dễ bị phá hoại

Khi gối cầu chịu tác động lực cục bộ vuông góc với chiều ngang, dầm cầu sẽ dao động nghiêng tạo ra moment quay Trong trường hợp này, gối cầu cao su sẽ biến dạng đàn hồi theo hướng chịu tác động của lực tạo ra góc quay Gối cầu sẽ hấp thụ năng lượng dao động nghiêng của dầm cầu

Hình 2.4 Ứng xử của gối cầu dưới tác dụng của lực lệch tâm

- Toàn bộ ứng xử của gối trong quá trình làm việc được thể hiện trong hình sau:

Hình 2.5: Ứng xử của gối cao su bản thép trong quá trình làm việc

2.1.4 Ứng xử ổn định vênh

Trạng thái giới hạn cuối cùng trong các điều kiện sau

Công thức này sẽ được áp dụng với phản ứng lớn nhất của tổ hợp cơ bản có tỷ lệ Fz /

Ar cao nhất và với mô đun bằng 0,9 MPa

2.1.5 Ứng xử ổn định trượt của gối cao su bản thép

Trước tác động của lực ngang, gối có ứng xử chống lại trượt trên mặt tấm trượt Việc xác minh chống trượt được đảm bảo, trong trường hợp không có thiết bị chống theo dõi

xy e z

3

z G r

F

MPa

2.2 Ứng xử của gối cầu dưới tác dụng của tải trọng dài hạn

2.2.1 Ứng xử của gối cầu dưới tác dụng của co ngót

Co ngót là hiện tượng giảm thể tích khi nhiệt độ không đổi do nước bốc hơi sau khi bê tông khô cứng

Sự thay đổi thể tích theo thời gian này phụ thuộc vào hàm lượng nước của bê tông tươi, vào loại xi măng và cốt liệu được sử dụng, vào điều kiện môi trường (nhiệt độ, độ

ẩm và tốc độ gió) tại thời điểm đổ bê tông, vào quá trình bảo dưỡng, vào khối lượng cốt thép và vào tỉ số giữa thể tích và diện tích bề mặt cấu kiện

Hình 2 6 Biến dạng co ngót theo thời gian

Gối cầu dưới tác dụng dài hạn của co ngót: Gối cầu có những ứng xử tương tự như ứng xử ngắn hạn, chống lại sự co ngót của kết cấu nhịp Tuy nhiên ứng xử ở đây diễn ra lâu dài, điểm gây nguy hiểm không phải do vượt quá sức chịu tải của gối mà do gối bị mỏi dẫn đến các phá hoại do mỏi

2.2.2 Ứng xử của gối cầu dưới tác dụng của từ biến

Từ biến là hiện tượng tăng biến dạng theo thời gian khi tải trọng không đổi Cũng như co ngót, từ biến là tác nhân phụ thuộc vào thời gian và có vai trò khá quan trọng trong việc tính toán, thiết kế công trình

Theo

Tiêu chuẩn ASTM C512 (2002) quy định quan hệ tuyến tính giữa cấp ứng suất và cường độ bê tông được chấp nhận khi cấp ứng suất bằng khoảng 40% cường độ chịu nén của bê tông

Hình 2.7: Biến dạng từ biến dưới tác dụng của tải trọng dài hạn

Hiện tượng biến dạng từ biến diễn ra rất phức tạp nhưng qua các thí nghiệm và quan trắc thực tế người ta thấy rằng quá trình biến dạng này xảy ra trong một thời gian dài và phát triển chậm dần, chịu ảnh hưởng chủ yếu của các tải trọng tác dụng lâu dài, tác động của môi trường và bản thân thành phần bê tông Để phân tích ảnh hưởng của

từ biến người ta đưa ra một đại lượng đặc trưng gọi là hệ số từ biến ψ

Theo thiết kế và thí nghiệm thì tải trọng sử dụng chỉ gây ra ứng suất chiếm khoảng 40-50% cường độ vật liệu bê tông, do vậy quan hệ giữa biến dạng từ biến và biến dạng đàn hồi có thể coi là tuyến tính Ta có công thức sau:

c e



Do từ biến chịu ảnh hưởng của rất nhiều nhân tố nên việc xác định biểu thức tính toán trở nên rất phức tạp và thường được xác định qua thực nghiệm và tổng kết để lập thành các bảng tra có sẵn trong các tiêu chuẩn của các nước Các quy phạm hiện hành các nước đều có các quy định riêng, tính toán theo các mô hình khác nhau nhưng chủ yếu là tính theo các công thức kinh nghiệm

Bên cạnh co ngót, gối cầu có những ứng xử với tải trọng từ biến tương tự như ứng

xử với sự co ngót của kết cấu nhịp Ứng xử ở đây diễn ra lâu dài, điểm gây nguy hiểm không phải do vượt quá sức chịu tải của gối mà do gối bị mỏi dẫn đến các phá hoại do mỏi

Nhìn chung ứng xử dài hạn của gối cầu chịu ảnh hưởng nhiều của co ngót và từ biến, đồng thời dễ bị phá hoại do mỏi

2.3 Ứng xử của gối cầu ngoài giới hạn đàn hồi

Biến dạng đàn hồi nhưng không tuân theo định luật Hooke, là đàn hồi phi tuyến hay đàn hồi kiểu cao su, thể hiện trong các vật liệu cao su, vật liệu phi kim vô định hình … Đặc điểm của chúng là môđun đàn hồi E không phải là hằng số Khi tải trọng tác dụng lên gối gây chuyển vị và cũng một phần khả năng gối làm việc lâu năm (cao su bị lão hóa) khiến cho xảy ra biến dạng dư của cao su, giảm khả năng làm việc của gối

- Trong quá trình khai thác của gối cầu, việc tải trọng gây ra ứng xử ngoài giới hạn đàn hồi của gối là rất ít, ước tính tải trọng gây nên ứng xử này lên đến 11 lần so với tải trọng

Hình 2.13 Biểu đồ thể hiện ứng xử của gối

- Ta nhận thấy đường biểu diễn nén ép ít phức tạp hơn đường biểu diễn dãn vì lực nén tăng cực nhanh và bề lõm của phần đường biểu diễn này bao giờ cũng quay về phía trục

tung Đường biểu diễn nén ép có một đường tiệm cận dọc ứng với sự giảm bề dày 100%

- Khi thôi tác dụng lực, gối cao su không thể quay lại đúng với chiều dày ban đầu mà

bị sụt giảm Đây chính là do độ biến dạng dư trong gối cầu

- Cấu trúc của các gối cao su khi làm việc ngoài giới hạn đàn hồi gần như bị phá hủy

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ CHI TIẾT GỐI CẦU 3.1 Thiết kế gối cầu hiện hành

Gối cầu cao su cốt bản thép không có tấm trượt trong cầu đường bộ gồm nhiều lớp cao su dày và nhiều tấm bản thép đặt xen kẽ gắn chặt vào nhau

Tải trọng tác động (theo kN) và chiều cao gối cầu (theo mm) được chọn là các đặc trưng cơ bản của gối cầu cao su cốt bản thép Các kích thước cơ bản của một số loại gối cầu cao su cốt bản thép có thể tham khảo

Hình 2.14 Cấu tạo gối cầu cao su bản thép

(a - chiều dài gối, b - chiều rộng gối, H - chiều cao gối, C - lớp bảo vệ)

Xác định các chức năng yêu cầu

Trước tiên cần xác định các tải trọng thẳng đứng và ngang, chuyển dịch xoay và chuyển dịch tịnh tiến từ tất cả các nguyên nhân bao gồm tải trọng bản thân, hoạt tải, tải trọng gió, tải trọng động đất, từ biến và co ngót, ứng suất trước, nhiệt độ và sai số thi công

Các yêu cầu thiết kế:

Các chuyển vị do nhiệt độ tối thiểu phải được xét đến từ nhiệt độ cực trị quy định trong tiêu chuẩn dùng thiết kế và nhiệt độ dự tính khi lắp đặt Các tải trọng thiết kế phải căn cứ trên các tổ hợp tải trọng và các hệ số tải trọng quy định trong Chương 3 của Tiêu chuẩn thiết kế cầu đường bộ

Góc xoay sử dụng lớn nhất chưa nhân hệ số do tổng tải trọng đối với các gối như gối cao su hoặc gối cao su có tăng cường bản thép tức là gối không đạt được tiếp xúc cứng giữa các cấu kiện thép phải lấy bằng tổng của:

- Các góc xoay do tĩnh tải và hoạt tải