Phân tích đánh giá hiệu quả công tác sửa chữa tăng cường một số công trình cầu khu vực nam bộ bằng vật liệu polyme, tấm polyme cốt sợi luận văn thạc sĩ xây dựng cầu hầm

22 CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU VỀ VẬT LIỆU COMPOSITE CỐT SỢI CARBON, MÔ HÌNH TÍNH TOÁN KẾT CẤU VÀ ỨNG DỤNG TRONG TĂNG CƯỜNG KẾT CẤU NHỊP CẦU BÊ TÔNG CỐT THÉP .... Trong đó cùng với sự phát triể

NGUYỄN CHÍ DŨNG

PHÂN TÍCH ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ CÔNG TÁC SỬA CHỮA TĂNG CƯỜNG MỘT SỐ CÔNG TRÌNH CẦU KHU VỰC NAM BỘ BẰNG VẬT LIỆU POLYME,

TẤM POLYME CỐT SỢI

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

Hà Nội - 2014

NGUYỄN CHÍ DŨNG

PHÂN TÍCH ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ CÔNG TÁC SỬA CHỮA TĂNG CƯỜNG MỘT SỐ CÔNG TRÌNH CẦU KHU VỰC NAM BỘ BẰNG VẬT LIỆU POLYME,

LỜI CẢM ƠN Sau thời gian 2 năm tham gia chương trình đào tạo sau đại học chuyên ngành Cầu – Hầm tại Trường Đại học Giao thông Vận tải Hà Nội, nhờ sự quan tâm của các Quý Thầy cô giáo là các Giáo sư, Phó Giáo sư, Tiến sỹ,… của Trường đại học Giao thông Vận tải đã nhiệt tình truyền đạt cho bản thân nhiều kiến thức về chuyên môn nghiệp vụ Cầu đường Để hoàn thành luận văn này tôi cũng đã nhận được rất nhiều sự đóng góp ý kiến, cung cấp tài liệu tham khảo và giúp đỡ nhiệt tình của các thầy cô, bạn bè trong trường Đại học Giao thông vận tải

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn các thầy, cô giáo trong Bộ môn Cầu - Hầm thuộc trường Đạo học Giao thông vận tải, là những giảng viên: PGS TS Nguyễn Ngọc Long, PGS TS Trần Đức Nhiệm, GS.TS Nguyễn Viết Trung…

đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này

Đặc biệt trong thời gian làm luận văn thạc sỹ kỹ thuật tôi được sự hướng dẫn, giúp đỡ góp ý rất nhiệt thành của giảng viên hướng dẫn PGS.TS Nguyễn Ngọc Long Tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến quý thầy cô giáo, những người đã giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện luận văn

Do kiến thức chuyên môn và điều kiện nghiên cứu còn nhiều hạn chế nên Luận văn này có thể còn những thiếu sót Tôi rất mong nhận được ý kiến đóng góp của Quý thầy cô giáo, bạn bè và đồng nghiệp để luận văn này được hoàn thiện hơn và làm tư liệu hữu ích trong quá trình công tác của tôi sau này Tôi xin chân thành cảm ơn!

Học viên:

Nguyễn Chí Dũng

Lớp Cao học Xây dựng Cầu – Hầm K20.1

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

NỘI DUNG 4

CHƯƠNG 1: ĐẶC ĐIỂM HỆ THỐNG CẦU BÊ TÔNG CỐT THÉP Ở CÁC TỈNH KHU VỰC NAM BỘ VÀ CÔNG TÁC TĂNG CƯỜNG SỬA CHỮA CÔNG TRÌNH CẦU HIỆN NAY 4

1.1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CẦU BÊ TÔNG CỐT THÉP KHU VỰC NAM BỘ 4

1.1.1 Sơ lược lịch sử phát triển cầu bê tông cốt thép ở nước ta 4

1.1.2 Đặc điểm hệ thống cầu bê tông cốt thép cũ ở các tỉnh khu vực Nam Bộ 7

1.2 CÁC NGUYÊN NHÂN GÂY HƯ HỎNG CẦU BÊ TÔNG CỐT THÉP 9 1.2.1 Một số hư hỏng thường gặp trên cầu bê tông cốt thép 9

1.2.2 Các nguyên nhân gây hư hỏng cầu bê tông cốt thép 12

1.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP SỬA CHỮA VÀ TĂNG CƯỜNG NĂNG LỰC CHỊU TẢI CHO KẾT CẤU CẦU BÊ TÔNG CỐT THÉP CŨ 16

1.3.1 Phương pháp bù tiết diện bằng vật liệu truyền thống hoặc bê tông polyme 16

1.3.2 Phương pháp gia cường bằng dán bản thép 17

1.3.3 Phương pháp sử dụng dự ứng lực ngoài 18

1.3.4 Phương pháp sử dụng tấm composite cường độ cao 20

1.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 22

CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU VỀ VẬT LIỆU COMPOSITE CỐT SỢI CARBON, MÔ HÌNH TÍNH TOÁN KẾT CẤU VÀ ỨNG DỤNG TRONG TĂNG CƯỜNG KẾT CẤU NHỊP CẦU BÊ TÔNG CỐT THÉP 24

2.1 CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU POLYME, TẤM POLYME CỐT SỢI 24

2.1.1 Sự hình thành và phát triển vật liệu FRP trên thế giới và ở Việt Nam 24

2.1.2 Khái quát về các loại vật liệu FRP 28

2.1.3 Các đặc trưng cơ học của vật liệu FRP 40

2.2 MÔ HÌNH TÍNH TOÁN KẾT CẤU ĐƯỢC GIA CƯỜNG BỞI VẬT

LIỆU POLYME 46

2.2.1 xây dựng mô hình làm việc của vật liệu FRP trong kết cấu nhịp dầm btct dự ứng lực được tăng cường 46

2.2.2 Thiết lập, xâu dựng mô hình và tính toán nhịp cầu BTCT khi được tăng cường vật liệu FRP 49

2.3 CÁC ƯU NHƯỢC ĐIỂM VÀ CÁC GIẢI PHÁP KỸ THUẬT VẬT LIỆU CFRP TRONG TĂNG CƯỜNG SỬA CHỮA CẦU 60

2.3.1 Phương pháp tăng cường thụ động 63

2.3.2 Phương pháp tăng cường chủ động 66

2.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 69

CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ CÔNG TÁC SỬA CHỮA TĂNG CƯỜNG MỘT SỐ CÔNG TRÌNH CẦU KHU VỰC NAM BỘ BẰNG TẤM POLYME CỐT SỢI 71

3.1 PHÂN TÍCH CÔNG TÁC SỬA CHỮA NÂNG CẤP CẦU TRẦN HƯNG ĐẠO – TP.PHAN THIẾT,TỈNH BÌNH THUẬN 71

3.1.1 Giới thiệu chung về hiện trạng công trình trước khi nâng cấp sửa chữa 71

3.1.2 Sơ đồ chất tải đo ứng suất,độ võng và dao động kết cấu nhịp sau khi được tăng cườngbằng vật liệu composite cốt sợi Carbon, bổ sung dầm ngang 74

3.1.3 Bố trí điểm đo ứng suất, dao động và độ võng 75

3.1.4 Kết quả đo và đánh giá năng lực khai thác cầu sau khi tăng cường 77

3.2 PHÂN TÍCH CÔNG TÁC SỬA CHỮA NÂNG CẤP CẦU SA ĐÉC – TX.SA ĐÉC ,TỈNH ĐỒNG THÁP 78

3.2.1 Giới thiệu chung về hiện trạng công trình trước khi nâng cấp sửa chữa 78

3.2.2 Sơ đồ chất tải đo ứng suất, độ võng và dao động kết cấu nhịp sau khi được gia cườngbằng vật liệu composite cốt sợi Carbon và căng cáp DƯL ngang 81

3.2.3 Bố trí điểm đo ứng suất, độ võng và dao động 82

3.2.4 Kết quả đo và đánh giá năng lực khai thác cầu sau khi tăng cường

84

3.3 ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ CÔNG TÁC TĂNG CƯỜNG SỬA CHỮA THEO CÔNG NGHỆ MỚI 85

3.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 87

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ CỦA LUẬN VĂN 88

DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO 90

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1: Thông số cơ bản của một số loại keo 33

Bảng 2.2: Đặc trưng cơ lý của một số loại cốt sợi 34

Bảng 2.3: Đặc trưng cơ học của một số loại FRP phổ biến 44

Bảng 2.4: hệ số triết giảm do môi trường 51

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Cầu Sài Gòn được xây dựng từ trước những năm 1975 5

Hình 1.2: Cầu Trần Hưng Đạo-TP.Phan Thiết được xây dựng từ những năm 1970 6

Hình 1.3: Cầu Sa Đéc tỉnh Đồng Tháp với kết cấu nhịp dạng giản đơnT 24.7m 8

Hình 1.4: Hư hỏng dầm biên cầu Trần Hưng Đạo, tỉnh Bình Thuận 10

Hình 1.5: Dầm cầu Mương Chuối, huyện Nhà Bè bị hư hỏng do tàu biển đứt neo trôi dẫn đến va chạm 11

Hình 1.6:Cầu Sài Gòn được nối liên tục 5 nhịp bằng công nghệ DƯL ngoài 19 Hình 1.7: Tăng cường dầm cầu Trần Hưng Đạo với vật liệu composite 20

Hình 2.1: Công nghệ FRP được ứng dụng trong tăng cường kết cấu cầu 27

Hình 2.2: Cấutạo điển hình của vật liệu composite 29

Hình 2.3: Biểu đồ đặc trưng cơ lý của FRP với các dạng epoxy khác nhau 33

Hình 2.4: Dạng cuộn kiểu sợi và dạng cuộn kiểu vải dệt 35

Hình 2.5: Dạng tấm mỏng 35

Hình 2.6: FRP có dạng tao xoắn 38

Hình 2.7: FRP có dạng thanh có gân tương tự với cốt thép thường 38

Hình 2.8: FRP có dạng ống tương tự ống thép sử dụng trong xây dựng 39

Hình 2.9: Dạng tấm 39

Hình 2.10: Biểu đồ so sánh đặc trưng quan hệ giữa ứng suất và biến dạng một số loại vật liệu 45

Hình 2.11: Biểu đồ quan hệ ứng suất – biến dạng của bê tông 46

Hình 2.12: Biểu đồ quan hệ ứng suất – biến dạng của một số loại thép 47

Hình 2.13: Mô hình vật liệu cốt thép trong tính toán kết cấu 47

Hình 2.14: Đường cong ứng suất – biến dạng điển hình của một số sản phảm FRP 48

Hình 2.15: Giải pháp gia cường thụ động 63

Hình 2.16: Giải pháp gia cường khả năng chịu cắt 63

Hình 3.1: Hiện trạng cầu Trần Hưng Đạo trước khi nâng cấp 71

Hình 3.2: Công tác tăng cường dầm cầu Trần Hưng Đạo bằng vật liệu composite cốt sợi Carbon 73

Hình 3.3: Xếp xe theo phương dọc cầu 74

Hình 3.4: Xếp xe theo phương ngang cầu đúng tâm 74

Hình 3.5: Xếp xe theo phương ngang cầu lệch tâm 74

Hình 3.6: Bố trí điểm đo ứng suất tĩnh dầm chủ 75

Hình 3.7:Bố trí điểm đo ứng suất động dầm chủ 76

Hình 3.8: Bố trí điểm đo độ võng dầm chủ 76

Hình 3.9: Bố trí điểm đo dao động kết cấu nhịp 77

Hình 3.10: Cầu Sa Đéc, thị xã Sa Đéc – tỉnh Đồng Tháp 79

Hình 3.11: Công tác tăng cường dầm cầu Sa Đéc theo công nghệ mới 81

Hình 3.12:Sơ đồ tải trọng 1 82

Hình 3.13: Sơ đồ tải trọng 2 82

Hình 3.14: Sơ đồ bố trí điểm đo ứng suất tĩnh dầm chủ 83

Hình 3.15: Sơ đồ bố trí điểm đo độ võng tĩnh dầm chủ 83

Hình 3.16: Bố trí điểm đo dao động 84

Hình 3.17: Tải trọng cầu trước và sau gia cường 86

MỞ ĐẦU

1 ĐẶT VẤN ĐỀ:

Công tác duy tu, sửa chữa các công trình cầu bê tông cốt thép là một vấn

đề có ý nghĩa kinh tế - kỹ thuật lớn đối với nước ta hiện nay Hàng năm, theo

số liệu của Cục Đường bộ Việt nam, chúng ta đã phải bỏ ra một khoản kinh phí tới hàng chục tỷ đồng cho công việc này

Tại khu vực đồng bằng Nam Bộ, với hệ thống mạng lưới sông ngòi dày đặc kéo theo nhu cầu xây dựng các công trình vượt sông, phục vụ phát triển kinh tế sau thời kỳ hậu chiến tranh là rất lớn Cùng với những cây cầu đã được xây dựng trong thời kỳ chiến tranh, đặc trưng cho phần lớn kết cấu nhịp cầu đã được xây dựng mới tại khu vực Nam Bộ thời kỳ này là sơ đồ nhịp giản đơn, với các dạng dầm bê tông cốt thép chữ T, I, được gác giản đơn lên bệ

và mố trụ.Việc xây dựng ồ ạt các công trình cầu dẫn đến những vấn đề về đảm bảo chất lượng công trình trong quá trình thi công, cộng thêm một số yếu

tố như: tải trọng khai thác vượt quá tải trọng cho phép, điều kiện khí hậu khắc nghiệt, yếu tố về thời gian, cho đến nay đang tồn tại một số lượng lớn các công trình cầu đã xuống cấp và cần thiết được tăng cường sửa chữa, thậm chí thay mới

Vì vậy vấn đề tìm ra một phương pháp sửa chữa và tăng cường tối ưu cho các cầu này đã trở nên hết sức cần thiết để đảm bảo an toàn giao thông Một

số phương pháp sửa chữa và tăng cường cầu bê tông đã được ứng dụng trong thực tế Trong đó cùng với sự phát triển của công nghệ tấm chất dẻo được

tăng cường băng cốt sợi ({Fiber Reinforced Pvlyme - FRP) được nghiên cứu

và phát triển ứng dụng trong thực tế đã mang lại sự lựa chọn hấp dẫn hơn so với phương pháp dán bản thép hoặc tăng cường dự ứng lực ngoài Vật liệu này có tính kháng ăn mòn, trọng lượng nhẹ, tỷ lệ sức bền trên trọng lượng cao đồng thời không dẫn nhiệt và dẫn điện Tuy nhiên do tính giòn của tấm dẻo

cốt sợi các bon đồng hướng, tính dẻo của dầm bị suy giảm, một giải pháp để khắc phục vấn đề này là việc sử dụng tấm dẻo cốt sợi phân tán thay cho cốt

sợi đồng hướng Chính vì vậy, hướng nghiên cứu của đề tài về “phân tích

đánh giá hiệu quả công tác sửa chữa tăng cường một số công trình cầu khu vực Nam bộ bằng vật liệu polyme, tấm polyme cốt sợi” là thật sự cần

thiết và có tính thời sự hiện nay khi nhu cầu sữa chữa tăng cường cầu bê tông cốt thép tại khu vực đang là vấn đề bức thiết để đảm bảo an toàn giao thông

2 SỰ CẦN THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Vấn đề sửa chữa các công trình bê tông cốt thép nói chung và sửa chữa công trình cầu bê tông cốt thép nói riêng là nhu cầu của thực tế sản xuất đã được đặt ra từ rất lâu, tuy nhiên việc sửa chữa vẫn cứ phải tiến hành và vẫn sử dụng các loại vật liệu thông thường cho sửa chữa như vữa xi măng và bê tông

xi măng poóc lăng , cùng với phương pháp thủ công mang tính kinh nghiệm

Vì vậy lẽ dĩ nhiên là hiệu quả sửa chữa sẽ rất thấp Để đạt được hiệu quả cao cần phải tiến hành ba công việc:

- Một là tìm kiếm các vật liệu chuyên dùng cho việc sửa chữa, tăng cường cầu bê tông cốt thép

- Hai là thiết kế công nghệ thi công sửa chữa sử dụng vật liệu đó trong điều kiện vẫn phải đảm bảo giao thông đi lại bình thường

- Ba là đánh giá lại khả năng chịu lực của kết cấu sau khi đã được sửa chữa

và tăng cường

Với mục tiêu đánh giá hiệu quả của công tác tăng cường dạng cầu giản đơn điển hình trong khu vực Nam Bộ bằng công nghệ vật liệu Polyme, tấm Polyme cốt sợi, trong luận án này sẽ tìm hiểu hiện trạng và nguyên nhân gây nên sự hư hỏng trong các kết cấu nhịp cầu bê tông cốt thép trên hệ thống mạng giao thông đường bộ, từ đó đưa phương pháp tính toán và công nghệ thi công theo phương pháp sử dụng vật liệu mới, so sánh các chỉ tiêu về kinh tế -

kỹ thuật với một số phương án khác Kết quả nghiên cứu được đề xuất, kiến nghị các giải pháp công nghệ sửa chữa hợp lý theo hiện trạng hư hỏng của cầu Từ đó áp dụng trong sửa chữa các cầu bê tông cốt thép cũ tương tự, tại các vùng khác trong khu vực

3 NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU

Nhiệm vụ trọng tâm của luận văn là so sánh, đánh giá hiệu quả và hạn chế của công tác tăng cường dạng cầu bê tông cốt thép giản đơn bằng công nghệ sử dụng vật liệu mới (Polyme)

4 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

- Đối tượng: Loại vật liệu Polyme, tấm Polyme cốt sợi, một số cầu thuộc khu vực đồng bằng Nam Bộ

- Phạm vi nghiên cứu: Khu vực đồng bằng Nam Bộ

5 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Phương pháp chủ yếu là kết hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm công tác tăng cường cầu khu vực Nam bộ, so sánh và đánh giá, rút ra kết luận và kiến nghị

6 KẾT CẤU LUẬN VĂN

- Chương 1: Đặc điểm hệ thống cầu bê tông cốt thép ở các tỉnh khu vực Nam

bộ và công tác tăng cường sửa chữa công trình cầu hiện nay

- Chương 2: Nghiên cứu về vật liệu composite cốt sợi carbon, mô hình tính toán kết cấu và ứng dụng trong tăng cường kết cấu nhịp cầu bê tông cốt thép

- Chương 3: Phân tích đánh giá hiệu quả công tác sửa chữa tăng cường một

số công trình cầu khu vực Nam bộ bằng tấm polyme cốt sợi

NỘI DUNG

CHƯƠNG 1: ĐẶC ĐIỂM HỆ THỐNG CẦU BÊ TÔNG CỐT THÉP

Ở CÁC TỈNH KHU VỰC NAM BỘ VÀ CÔNG TÁC TĂNG CƯỜNG

SỬA CHỮA CÔNG TRÌNH CẦU HIỆN NAY

1.1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CẦU BÊ TÔNG CỐT THÉP KHU VỰC NAM BỘ

1.1.1 Sơ lược lịch sử phát triển cầu bê tông cốt thép ở nước ta

Tại Việt Nam có thể chia quá trình phát triển cầu BTCT thảnh các giai đoạn tương ứng với các giai đoạn của lịch sử đấu tranh giành độc lập, giữ nước và xây dựng Đất nước

Thời kỳ trước Cách mạng Tháng 8 - 1945:

Vào thời kỳ này, đã có nhiều cầu thuộc hệ thống nhịp bản, dầm giản đơn, dầm hẫng, vòm BTCT thường với nhịp 2 đến 20m được xây dựng trên các tuyến đường sắt và đường bộ Ví dụ chỉ trên tuyến đường sắt Hà Nội - TP

Hồ Chí Minh có khoảng hơn 600 cầu BTCT nhịp từ 8 đến 11m xây dựng từ

1927 - 1932, đến nay vẫn còn tận dụng được sau khi gia cố sửa chữa nhiều đợt Trên các tuyến đường ô tô ở Nam Bộ còn nhiều cầu dầm hẫng, cầu vòm chạy dưới thuộc loại này đang được khai thác, ở miền Bắc hầu hết cầu BTCT

do Pháp xây dựng đã bị phá hoại do bom Mỹ

Thời kỳ sau Cách mạng Tháng 8-1945 đến năm 1954:

Đây là thời kỳ kháng chiến chổng Pháp nên hầu như rất ít cầu BTCT được xây dựng mới

dụng BTCT dự ứng lực trong xây dựng cầu lần đầu tiên đã do Đại học Giao thông tiến hành năm 1961: một số cầu giản đơn BTCT dự ứng lực đã được xây dựng như cầu Phủ Lỗ, cẩu Cửa Tiền, cầu Tràng Thưa, cầu Bía (cầu dầm hẫng có chốt giữa), theo đồ án của Việt Nam

Các đồ án điển hình về cầu bản mố nhẹ, dầm giản đơn lắp ghép mặt cắt chữ T có dầm ngang hoặc không có dầm ngang với nhịp 3- 4- 6- 9- 12 - 15-21m được Viện thiết kế giao thông thiết kế được áp dụng rộng rãi trên các tuyến đường ô tô.Trong quá trình 10 năm xây dựng cầu Thăng Long, một hệ thống cầu dẫn gồm khoảng 4km cầu đường sắt và 2km cầu ô tô bằng các dầm BTCT dự ứng lực kéo trước hoặc kéo sau đã được xây dựng với công nghệ Liên Xô cũ Qua đó ngành công nghiệp xây dựng cầu BTCT dự ứng lực ở nước ta đã tiến một bước mới

Hình 1.1: Cầu Sài Gòn được xây dựng từ trước những năm 1975

Tại các tỉnh đồng bằng Nam bộ, một số loại đồ án định hình cầu BTCT dự ứng lực theo tiêu chuẩn Mỹ AASHTO đã được sản xuất và lắp ghép rộng rãi trên các tuyến đường bộ trục chính khẩu độ nhịp dầm xấp xỉ là 12 - 18-25 m

Kết cấu dầm BTCT dự ứng lực kéo trước với loại cáp xoắn 7 sợi, d - 12,7mm Các dầm T được lắp ghép theo phương ngang cầu bằng cáp thép dự ứng lực kéo sau cùng loại nói trên Dạng kết cấu này được lắp ghép bằng các cần cẩu 40 - 60 tấn, bánh xích

Hình 1.2: Cầu Trần Hưng Đạo-TP.Phan Thiết được xây dựng từ những

năm 1970 Thời kỳ từ 1975 đến 1992:

Đây là thời kỳ đất nước đã thống nhất nhưng chưa có sự kiện Liên Xô sụp đổ và Mỹ còn phong tỏa kinh tế đối với nước ta

Ở miền Nam, việc sản xuất dầm dự ứng lực vẫn theo mẫu AASHTO cũ của Mỹ tại xưởng dầm Châu Thới gần TP Hồ Chí Minh.Ở miền Bắc, đã có các trung tâm chế tạo các dầm dự ứng lực nhịp đến 33m tại Hà Nội, TP Vinh - Nghệ An

Thời kỳ này, chúng ta đã tự thiết kế và thi công được một số cầu khung

T dầm đeo thuộc hệ tĩnh định có nhịp dài xấp xỉ 60-70m (cầu Rào, cầu Niệm,

cầu An Dương ở Hải Phòng, ) với cốt thép dự ứng lực dạng bó 24 sợi 0.5mm

Thời kỳ 1992 đến nay:

Đây là thời kỳ mà quan hệ đối ngoại đã rộng mở và các công nghệ tiên tiến của thế giới đang được chuyển giao vào nước ta Các dự án lớn cải tạo Quốc lộ 1 các dự án cầu Phú Lương (hệ dầm liên tục), cầu Sài Gòn 2, cầuĐồng Nai 2, cầu Long Thành, v.v đã khởi công hoặc đã hoàn thành với công nghệ đúc hẫng hiện đại Đến cuối năm 2013 đã có khoảng trêndưới 100 cầu thuộc hệ thống nhịp liên tục được đúc hẫng thành công Công nghệ đúc đẩy cũng đã được áp dụng thi công các cầu Mẹt (Bắc Giang), Hiền Lương, Quán Hầu, Sảo Phong, Hà Nha Công nghệ đúc trên đà giáo di động đã được

áp dụng cho phần cầu dẫn của các cầu Thủ Thiêm (Tp Hồ Chí Minh), Thanh Trì (Hà Nội) Công nghệ đúc hẫng dầm cứng của cầu dây vãng - dầm cứng BTCT đã áp dụng thành công ở cầu Mỹ Thuận (Tiền Giang), cầu Phú Mỹ (Tp Hồ Chí Minh), cầu Cần Thơ (Cần Thơ - Vĩnh Long) Cầu Rạch Miễu (Bến Tre - Tiền Giang) là cây cầu dây văng đầu tiên do chính các kỹ sư Việt Nam thiết kế và thi công theo công nghệ mới

1.1.2 Đặc điểm hệ thống cầu bê tông cốt thép cũ ở các tỉnh khu vực Nam

Bộ

Trải qua quá trình phát triển gắn liền với tiến trình lịch sử của đất nước,

hệ thống cầu bê tông cốt thép khu vực Nam bộ đặc biệt là các cầu bê tông cốt thép cũ có những đặc điểm đặc trưng như sau:

Kết cấu nhịp cầu phổ biến sử dụng đối với các cầu đường bộ là các dạng điển hình của nhà máy bê tông Châu Thới Các dạng cơ bản là dạng nhịp 12.5m; 18.6m và 24.7m Các dạng này được thiết kế theo tiêu chuẩn cũ và có dạng chủ yếu là bê tông cốt thép dự ứng lực, bệ tĩnh định dạng mút thừa chủ yếu ở đồng bằng sông Cửu Long, đối với các cầu bê tông từ thời Pháp hay các

cầu bê tông nhỏ từ thời sau 1954 để lại thì hầu hết đã được thay thế mới, các cầu yếu thường có xu hướng thay thế mới do ngoài khả năng chịu lực xuống cấp, quy mô cầu đặc biệt là bề rộng đều không đảm bảo cho mục đích sử dụng cũng như yêu cầu giao thông hiện tại

Có sự thay đồi về hệ thống tiêu chuẩn: Khu vực miền Nam trước đây

sừ dụng các loại tiêu chuẩn của Mỹ thông thường với tải trọng thiết kế là HS20-44 Đến năm 1979, Bộ Giao thông vận tải mới có tiêu chuẩn để thiết kế cầu, tuy nhiên việc vận dụng còn mất thêm một thời gian dài sau đó mới có thể hoàn toàn tuân theo chuẩn mực Đến năm 2005 tiêu chuẩn thiết kế cầu mới 22TCN 272-05 được ban hành, và một số cây cầu được thiết kế theo tiêu chuẩn mới này cũng đã bắt đầu xuống cấp và cần được tăng cường

Hình 1.3: Cầu Sa Đéc tỉnh Đồng Tháp với kết cấu nhịp dạng

giản đơnT 24.7m

Như vậy hệ thống cầu bê tông cốt thép cũ ở khu vực Nam bộ bao gồm nhiêu cây cầu được thiết kế và xây dựng theo nhiều tiêu chuẩn khác nhau hiện

đang cùng tồn tại nhưng chủ yếu vẫn là dạng nhịp dầm giản đơn điển hình của nhà máy bê tông Châu Thới.Việc quản lý chất lượng các cầu trước đây không đảm bảo do các tiêu chuẩn thi công và nghiệm thu chưa đầy đủ, hệ thống khung tiêu chuẩn và pháp lý chưa đầy đủ do vậy chất lượng các công trình chưa đáp ứng được các yêu cầu hiện tại đồng thời chất lượng các công trình

có độ tin cậy không cao Có thể thấy rõ là nhiều công trình cầu trước đây đến nay không có đầy đủ hồ sơ thiết kế và hoàn công cũng như các hồ sơ khác Điều này gây khó khăn cho công tác quản lý cầu cũng như việc sửa chữa tăng cường

Nhu cầu phát triển giao thông lớn, không những tăng lên về tải trọng, đồng thời còn tăng lên về quy mô cả tuyến ở những vùng miền xa xôi Một sổ các công trình trước đây được thiết kế với tải trọng thấp ví dụ H13, H18 theo quy trình 22TCN 18-79 nay do yêu cầu phát triển sản xuất đã đòi hỏi phải tăng lên theo tiêu chuẩn mới vì vậy các công trình cầu cũ đã không còn đáp ứng được các yêu cầu mới

Tình trạng các tải trọng vượt quá mức cho phép đang ngày một trở nên phổ biến Đây là một hệ quả tất yếu của quá trình phát triển kinh tế Tuy nhiên các đơn vị quản lý cầu chưa đủ thẩm quyền cũng như năng lực để kiểm soát tải trọng Hệ thống chế tài còn thiếu và chưa phù hợp để kiểm soát tải trọng

và hạn chế xe quá tải qua cầu Đây là một trong những nguyên nhân chủ yếu dẫn tới hư hỏng của các công trình giao thông nói chung và hệ thống cầu cũ tại khu vực Nam bộ nói riêng

1.2 CÁC NGUYÊN NHÂN GÂY HƯ HỎNG CẦU BÊ TÔNG CỐT THÉP

1.2.1 Một số hư hỏng thường gặp trên cầu bê tông cốt thép

Các dạng hư hỏng thường gặp đối với kết cấu cầu bê tồng cốt thép cũ

đó là:

Nứt bê tông: Hiện tượng nứt bê tông có thể xảy ra với cả cầu bê tông cốt thép thường và bê tông cốt thép dự ứng lực Trong kết cẩu nhịp cầu bê tông cốt thép thường xuất hiện các vết nút như sau:

 vết nứt thẳng đứng: xuất hiện ở vùng chịu kéo của các mặt cắt mô men uôn có giá trị tuyệt đối lớn

 vết nứt xiên: xuất hiện ở những mặt cắt có mô men và lực căt cùng

có giá trị

 vết nứt nằm ngang: thường xuất hiện ở đoạn dầm có giá trị lực cắt lớn tại vị trí tiếp giáp giữa cánh dầm và sườn dầm Với các dầm BTCT dự ứng lực giản đơn loại nhịp 12.5m; 15.6m; l6.8m; 21.7m kiểu cũ theo định hình của Mỹ được xây dựng trước năm 2000 thường xuất hiện các vết nứt kiểu này

 Vết nứt cục bộ: thường xuất hiện trên vị trí kê gối hoặc các vị trí liên kết mối nối cánh dầm, liên kết dầm ngang hoặc tại vị trí đầu neo cáp dự ứng lực

 Vết nứt do co ngót: thường xuất hiện trên bề mặt bê tông và phát triển không có quy luật

Hình 1.4: Hư hỏng dầm biên cầu Trần Hưng Đạo, tỉnh Bình Thuận

 Vết nứt do gỉ cốt thép: trong dầm bê tông cốt thép đôi khi chiều dày

bê tông bảo vệ cốt thép không đủ hoặc cốt thép bị gỉ do các tác động môi trường sẽ dẫn đến các vết nứt trên bề mặt bê tông dọc theo chiều dài thanh cốt thép Nếu cốt thép bị rỉ sét mạnh, các vết nứt này sẽ phát triển thành các vết

vỡ, mất bê tông

Vỡ bê tông, lộ cốt thép: Vỡ bê tông thường xuất hiện ở các vị trí có ứng suất cục bộ lớn như trên gối cầu, đầu neo hoặc do những va chạm cơ học như va xe, va tàu, Những vị trí mà chiều dày bê tông bảo vệ cốt thép không

đủ để dẫn đến gỉ cốt thép làm nứt, vỡ bê tông

Hiện tượng bê tông bị phong hóa, suy giảm chất lượng: Đây lả hỉện tượng tương đối phổ biến với cầu bê tông cốt thép cũ, đặc biệt hay xảy ra ở những vị trí thường xuyên bị ẩm ướt như vị trí dầm đặt ống thoát nước không đảm bảo dẫn đến nước tạt vào dầm, hoặc vị trí mối nối không đảm bảo dẫn đến nước thấm xuống dầm Bê tông cũng thường bị suy giảm chất lượng khi cầu được xây dựng ở những vùng khí hậu khắc nghiệt và có tính xâm thực như vùng khí hậu biển ở nước ta

Hình 1.5: Dầm cầu Mương Chuối, huyện Nhà Bè bị hư hỏng do tàu biển

đứt neo trôi dẫn đến va chạm

1.2.2 Các nguyên nhân gây hư hỏng cầu bê tông cốt thép

Hiện tượng nứt, vỡ, xuống cấp về cường độ của bê tông khá phổ biến và nghiêm trọng nhất trong các cầu hiện hữu đặc biệt là khu vực phía Bắc Lý do

là trong thời kỳ chiến tranh, điều kiện vật liệu thiếu, trình độ thi công, quản lý chất lượng thi công còn hạn hẹp, trình độ công nghệ vật liệu vếu kém Việc thi công được thực hiện bằng phương pháp thủ công là chính Chất lượng bê tông ngay khi vừa mới hình thành nhiều bộ phận đã chưa đạt yêu cầu so với thiết kế Sau khi thi công xong, hiện tượng nứt, vỡ, rồ tổ ong phổ biến Sau một thời gian sử dụng, đây là nhừng vị trí làm xuống cấp công trình sau khi khai thác

Vấn đề bảo dưỡng định kỳ hàng năm chưa thực sự được chú trọng Nhiêu công trình khai thác trong một thời gian dài mà không được kiểm tra và bảo dưỡng định kỳ Các hư hỏng không được khắc phục nên sự xuống cấp xảy ra nhanh và trầm trọng

Một nguyên nhân có vai trò lớn trong việc làm xuống cấp các công trình nhanh chóng là sự tăng tải trọng về cả số lượng và giá trị độ lớn tải trọng Trên nhiêu tuyến quốc lộ lớn hay trong các đô thị lớn, cùng với sự phát triển kinh tế, mật độ giao thông tăng cao Các cầu trở nên quá tải và đẩy nhanh sự xuống cấp do không đảm bảo điều kiện sử dụng Mật độ tải trọng cũng lớn lên làm đẩy nhanh sự phá hoại về mỏi Lý do của việc này là các tiêu chuẩn thiết

kế đã quá cũ, không đáp ứng được với yêu cầu khai thác hiện tại Hầu hết các cầu trong khu vực phía Nam thời gian trước 1990 đều được thiết kế kết cấu nhịp với tải trọng HS20-44 theo tiêu chuẩn Mỹ Tải trọng này có hiệu ứng tải thấp hơn so với hiệu ứng tải gây ra bởi các tải trọng khai thác hiện tại Đối với khu vực phía Bắc, việc thiết kế theo các tải trọng đối với một số cầu theo đánh giá là quá lớn đối với cầu khẩu độ lớn nhưng lại có vẻ nhỏ so với những cầu có khẩu độ nhỏ Lý do là do cách tiếp cận về tải trọng hoạt tải chưa thực

sự khoa học Tới năm 2005, nhà nước mới đưa ra tiêu chuẩn thiết kế cầu 22 TCN 272-05 dựa trên phân tích xác suất và độ tin cậy với hiệu ứng tải nên mới khắc phục được một phần hiện tượng này

Tổng quan lại, sự hư hỏng của cầu BTCT do các nguvên nhân chính sau:

1.2.2.1 Các hư hỏng do quá trình phá hủy vậi liệu do tác động của môi trường

a - sự phá hủy lý hóa của bê tông

Dạng hư hỏng này có thể xảy ra đo các tác động bên ngoài hoặc do thành phân 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 Các phá hủy này thường do một

số các tác động sau:

 Sự hư hỏng do tác dụng cacbonat hóa bê tông;

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 Điều kiện cần để cốt thép bắt đầu gỉ là độ pH < 11 hoặc hàm lượng ion Cl- tự do vượt quá ngưỡng 0,2- 0,4% xi măng Các nguyên nhân chính gây ăn mòn thép trong bê tông như sau:

 Ăn mòn điện hóa: Quá trình đó gồm hai phần: Hòa tan anốt kim loại

và phản ứng catôt

 Gỉ cốt thép trong bê tông vùng bị nứt: Khi mà bê tông có độ rỗng, không đủ chặt, bề dày lớp bảo vệ không đủ ngăn cản sự thấm nhập của ôxy lên bề mặt cốt thép và cả những vùng không có vết nứt Lúc đó, anốt sẽ là bề mặt thép có lớp thụ động đã bị gỉ ngay tại vết nứt và catot là bề mặt thép nằm trong bê tông

 Gi của cốt thép trong bê tông khi có mặt của các ion CI-: Sự có mặt của Cl- sẽ làm cho bê tông dẫn điện tốt hơn, tăng tốc độ gỉ của cốt thép nằm trong vùng bê tông bị cacbonat hóa

1.2.2.2 Các hư hỏng do quả trình thiết kế

Những sai lầm do khảo sát, thiết kế sẽ kéo theo những hư hỏng có thể biểu hiện theo các dạng:

 Sai sót trong quá trình tính toán

 Chọn giải pháp kết cấu không tốt, không tôn trọng những nguyên tắc đảm bảo an toàn công trình

 Tính toán bản mặt cầu không đạt

 Tính toán về lực căng cáp dự ứng lực không chính xác

 Tính toán sai sót khi sự phân phối lại nội lực dứởi tác dụng của các biến dạng khác nhau

 Khi thiết kế một công trình, ngoài vấn đề phải tính toán đủ khả năng chịu lực theo yêu cẩu 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 Các hư hỏng do quá trình thi công

 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, gâv rỗ bề mặt tạo điều kiện đẩy nhanh tốc độ cacbônat hóa trong bê tông

 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

 Bố trí cốt thép trong ván khuôn và thi công căng kéo: Trong quá trình thi công có xày 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

 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 Hư hỏng trong quá trình khai thác sử dụng

Tất cả các công trình cầu bê tông cốt thép sau một thời gian sử dụng sẽ xuất hiện những hư hỏng nhất định Hầu hết các hư hỏng này là hư hỏng nhỏ

và chưa ảnh hường đến khả năng chịu lực của kết cấu Tuy nhiên nếu những

hư hỏng này không được khắc phục kịp thời nó sẽ phát triển thành các hư

hỏng lớn thậm chí rất khó để khắc phục và làm suy giảm khả năng chịu lực của công trình Việc các công trình cầu hiện nay xuống cấp do không được duy tu, bảo dưỡng kịp thời là khá phổ biến Vì vậy để khắc phục tình trạng này cần nâng cao vai trò của công tác kiểm tra cũng như bảo dưỡng, sửa chữa công trình cầu

Ngoài ra vấn đề tải trọng và hạn chế tải trọng như đã nói ở phần mở đầu cũng cần được kiểm soát chặt chẽ để tránh gây hư hỏng cho công trình cầu 1.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP SỬA CHỮA VÀ TĂNG CƯỜNG NĂNG LỰC CHỊU TẢI CHO KẾT CẤU CẦU BÊ TÔNG CỐT THÉP CŨ

1.3.1 Phương pháp bù tiết diện bằng vật liệu truyền thống hoặc bê tông polyme

Biện pháp bù tiết diện bằng vật liệu truyền thống sử dụng vữa xi măng poóclăng thường hoặc dùng 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 huỷ vật liệu do ảnh hưởng trực tiếp của môi trường và gây cảm giác về độ an toàn của kết cấu Các biện pháp này thường được thực hiện trong các công việc duy tu sửa chữa nhỏ công trình, song thường không có hiệu quả về mặt chịu lực của kết cấu Do co ngót và do dính bám không đủ giữa lớp bê tông cũ và lớp bê tông mới nên các lớp bê tông mới sau một thời gian sẽ bị borm ra, nước mưa và hơi ẩm tụ lại trong các khe

hở giữa 2 lớp bê tông cũ - mới gây tác hại xấu đến bê tông cũ và cốt thép Đối với các kết cấu cầu đang có phương tiện lưu thông gây rung động và biến dạng thì biện pháp sửa chữa này càng không có hiệu quả Một số cầu được sửa chừa bằng phương pháp này sau một thời gian sử dụng qua khảo sát cho thấy các vị trí sửa chữa, bê tông cũ và mới không có dính bám đã bị bong tróc hết và không còn tác dụng

Bê tông polymer có nhiều đặc tính ưu việt hơn so với bê tông thông thường Thứ nhất khả năng dính bám tốt với bề mặt bê tông cũ điều này giúp

vị trí trám vá không bị bong vỡ đặc biệt dưới tác dụng của tải trọng động Thứ hai là các đặc tính cơ lý của bê tông polymer như khả năng chịu kéo, uốn, độ mài mòn, chịu va đập và khả năng chống thấm đều tốt hơn nhiều so với bê tông thông thường Bè tỏng polymer thường dược sử dụng để bù tiết diện bị mất do những hư hỏng phức tạp

Nói chung, phương pháp bù tiết diện bằng bê tông thường hay bê tông polyme đều mang tính chất sửa chữa, bảo tồn kết cấu, duy trì tình trạng cùa kết cấu mà ít có tác dụng phục hồi hoặc nâng cao nâng lực chịu tải của kết cấu cầu BTCT cũ

1.3.2 Phương pháp gia cường bằng dán bản thép

Nguyên tắc cơ bản của phương pháp này là dán các bản thép ngoài bổ sung lên bề mặt bê tông của kết cấu cũ để sửa chữa hoặc tăng cường kết cấu

cũ Thông thường các bàn thép dược dán thêm vào ở vùng chịu kéo của mặt cắt (phía đáy dầm trong dầm giản đơn), nhưng cũng có trường hợp dán cả ở phần chịu nén của mặt cắt hoặc dán theo chiều đứng để chịu lực cắt 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

Chất lượng của biện pháp này phụ thuộc vào:

 Khả năng dính bám giữa bê tông và bản thép

 Công nghệ dán và ép

Để đảm bảo chất lượng, bê tông của kết cấu cần phải đủ khả năng chống cắt trượt, bề mặt bê tông trước khi dán keo phải sạch và khô ráo Khi áp bản thép vào bê tông phải tạo được lực ép dàn đều keo và làm cho bản thép áp sát

theo dạng bề mặt bê tông.Để đảm bảo cho tập bản thép cùng làm việc với kết cấu, thì bản thép phải không được trượt trên bê tông, như vậy đòi hỏi bê tông phải có độ bằng phẳng và đủ khả năng chống trượt Điều này là rất khó đối với kết cấu BTCT cũ đã bị hư hỏng, vì vậy trước khi dán bản thép ta phải đập

bỏ hoàn toàn phần bê tông cũ bị hư hỏng, tạo ra một lớp bê tông mới dính bám tốt với bê tông cũ và có cường độ phải đủ lớn Lớp bê tông mới này quyết định đển chất lượng và hiệu quả của việc dán keo, nếu như ta đã tạo ra được một lớp bê tông chất lượng tốt thì khả năng chịu lực cũng như chất lượng công trình đã được cải thiện rõ ràng và nhiều khi việc dán thêm bản thép cần phải xem xét lại Mặt khác, để liên kết được tốt giữa thép với bê tông, nếu chỉ dùng keo epôxy thì chất lượng sẽ rất khó đảm bảo, nhất là trong điều kiện khai thác cầu vẫn diễn ra bình thường, chính vì vậy mà người ta phải tạo ra các liên kết ngoài bằng bu lông để ép bản thép vào bê tông Tuy nhiên việc thực hiện tạo bu lông chôn sẵn trong bê tông là rất khó thực hiện vì thông thường các bản thép dán ở đáy dầm (nơi có mô men dương là lớn nhất) Khi đó việc khoan lỗ bu lông sẽ dễ bị vướng vào các cốt thép chịu lực bố trí dày đặc, nếu thực hiện không tốt sẽ dẫn đến phá hoại cốt thép chịu lực sẵn có của bản thân kết cấu và làm giảm khả năng chịu lực của cầu Đây là một vẩn

đề rất khó thực hiện trong quá trình thi công

1.3.3 Phương pháp sử dụng dự ứng lực ngoài

Mục đích của phương pháp dự ứng lực ngoài là dùng cáp dự ứng lực bổ sung cốt thép chịu kéo nhưng không 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

Ưu điểm của phương pháp dự ứng lực ngoài là khả năng tạo ra trạng thái phân bố lại nội lực và biến dạng trên kết cấu của vật liệu hiện đang sử

dụng đã mất mát nhiều tính chất khôi phục của biến dạng đàn hồi làm cho khả năng chịu lực của kết cấu được nâng lên một cách có hiệu quả

Tuy nhiên, phưưng pháp này còn có một số khó khăn hạn chế, đó là:

 Khi tạo ra mấu neo ngoài để căng cáp dự ứng lực, đòi hỏi mấu neo phải không bị biến dạng trong quá trình chịu lực trong khi mấu neo lại phải bố trí trên nền vật liệu bê tông cũ, cường độ chịu lực thường là kém, đây chính là một khó khăn, bên cạnh đó còn cỏ vấn đề khi bố trí mấu neo có thể sẽ phá huỷ một số cốt thép chịu lực, làm suy yếu trạng thái chịu lực của kết cấu cũ

Hình 1.6:Cầu Sài Gòn được nối liên tục 5 nhịp bằng công nghệ DƯL ngoài

 Việc bố trí cốt thép dự ứng lực ngoài nhằm tạo ra nội lực trong kết cấu ngược với nội lực trong quá trình khai thác do đó lại tạo ra ứng suất kéo ở thớ chịu nén khi chịu lực trong quá trình khai thác nên dễ gây nứt đối với thớ này

Để khắc phục nhược điểm trên, đối với cầu cũ do khó biết được chính xác khả năng chịu lực còn lại của kết cấu cũng như sơ đồ bố trí cốt thép, nên thông thường người ta tạo dự ứng lực ngoài ngay tại lõi tiết diện, để sao cho trên

toàn bộ tiết diện chỉ có một lực nén, như thế sẽ gây ra lực nén quá lớn tại thớ chịu nén trong quá trình khai thác và làm hạn chế khả năng cùa dự ứng lực ngoài

 Cốt thép dự ứng lực do bố trí bên ngoài tiết diện sẽ rất dễ bị gỉ do ảnh hưởng của môi trường mặc dù đã có ống bảo vệ Tuy nhiên, cốt thép dự ứng lực ngoài có thể thay thế tương đối đơn giản

1.3.4 Phương pháp sử dụng tấm composite cường độ cao

Tăng cường kết cấu sử dụng vật liệu composite cường độ cao dán bên ngoài là một biện pháp thay thế cho phương pháp truyền thống là dán bản thép ngoài cũng như dự ứng lực ngoài Giải pháp này có thể sử dụng đế nâng cao khả năng khai thác, tính bền cũng như là tăng cường độ của kết cấu bê tông

Hình 1.7: Tăng cường dầm cầu Trần Hưng Đạo với vật liệu composite

Việc tăng cường được tiến hành bằng tấm composite cường độ cao dính kết với kết cấu bê tông thông qua sự dính bám của keo epoxy.Có hai hệ thống khác biệt có thể sử dụng Dạng thứ nhất có dạng định hình sẵn, các hình dáng

chủ yếu là dạng dải, tấm, hộp hay dạng góc mà áp dụng trực tiếp lên bề mặt kết cấu Dạng thứ hai là dạng tấm hay lưới được thực hiện thi công và bảo

dưỡng ở hiện trường sử dụng việc dán ướt hay dán bằng tay

Vật liệu composite cường độ cao ứng dụng trong tăng cường kết cấu

bê tông hiện hữu được sử dụng khá hữu hiệu và phổ biến Chúng được áp dụng cho việc tăng cường khả năng chịu mô men, chịu lực cắt, chịu lực nén dọc trục

Sửa chữa, tăng cường cầu BTCT bằng tấm composite cường độ cao có một số ưu điểm đó là:

 Vật liệu composite cường độ cao có các đặc tính cơ bản là có cường độ cao, trọng lượng riêng nhỏ, không rỉ, không dẫn diện và không nhiễm từ Từ

đó cung cấp một phương pháp tăng cường hiệu quả mà không làm tăng tĩnh tải bản thân kết cấu

 Việc chế tạo tấm composite cưởng độ cao đưa ra cơ hội phát triển hình dáng và các dạng mà có thể rất khó khăn hay không thể chế tạo tương đương với thép thường

 Quá trình thi công có thể thực hiện trong điều kiện khai thác bình thường, không đòi hỏi việc điều tiết giao thông hoặc xây dựng cầu tạm cầu tránh giúp tiết kiệm chi phí cũng như giảm những ảnh hưởng xấu đến dư luận

thép dự ứng lực tương ứng tuy nhiên, mô đun đàn hồi lại tương đối thấp hơn

so với thép Sự hạn chế này có thể làm giảm khả năng khai thác của công trình trong trạng thái giới hạn sử dụng

 Composite cường độ cao là vật liệu phi kim, đây là một lợi thế lớn đối với các ảnh hưởng liên quan tới sự ăn mòn và xuống cấp do môi trường, tuy nhiên lại là một bất lợi trong trường hợp các công trình chịu nhiệt lớn hoặc trong các điều kiện sự cố có xuất hiện lửa

 Việc tăng cưởng kết cấu bằng tấm composite trong điều kiện thi công thông thường không cho hiệu quả làm giảm bề rộng vết nứt mà chỉ có tác dụng tăng cường khả năng chịu hoạt tải ( Biện pháp tăng cường bằng dự ứng lực ngoài có tác dụng giảm bề rộng vét nứt và tăng cường khả năng chịu tĩnh tải)

1.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG

Từ những nghiên cứu, thống kê của chương I có thể dễ dàng nhận thấy đặc trưng cho phần lớn kết cấu nhịp cầu cũ đã được xây dựng tại khu vực Nam Bộ thời kỳ trước và sau năm 1970 vẫn chủ yếu là sơ đồ nhịp giản đơn, với các dạng dầm bê tông cốt thép chữ T, I, được gác giản đơn lên bệ và

mố trụ Việc xây dựng ồ ạt các công trình cầu dẫn đến những vấn đề về đảm bảo chất lượng công trình trong quá trình thi công, cộng thêm một số yếu tố như: tải trọng khai thác vượt quá tải trọng cho phép, điều kiện khí hậu khắc nghiệt, yếu tố về thời gian, cho đến nay đang tồn tại một số lượng lớn các công trình cầu đã xuống cấp và cần thiết được tăng cường sửa chữa, thậm chí thay mới

Hiện nay các biện pháp chủ yếu để sửa chữa tăng cường kết cấu cầu bê tông cốt thép này bao gồm bù tiết diện bằng bê tông hoặc bê tông polymer, dán bản thép, tăng cường dự ứng lực ngoài và giải pháp sử dụng tấm composite cường độ cao Với các đặc trưng vật liệu vượt trội và phương pháp

thi công phù hợp với mọi điều kiện công trình, composite cường độc cao hứa hẹn nhiều triển vọng trởthành một loại vật liệuphù hợp trong ngành xây dựng công trình và đặc biệt là trong tăng cường và sửa chữa kết cấu cầu Mặc dù vậy do đây là một loại vật liệu mới, nhất là trong điều kiện Việt Nam cần phải tiến hành nhiều nghiên cứu sâu rộng hơn nữa về đặc điểm làm việc cũng như các ứng dụng để có thể nâng cao tính thực tiễn của loại vật liệu này

CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU VỀ VẬT LIỆU COMPOSITE CỐT SỢI CARBON, MÔ HÌNH TÍNH TOÁN KẾT CẤU VÀ ỨNG DỤNG TRONG TĂNG CƯỜNG KẾT CẤU NHỊP CẦU BÊ TÔNG CỐT THÉP

2.1 CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU POLYME, TẤM POLYME CỐT SỢI 2.1.1 Sự hình thành và phát triển vật liệu FRP trên thế giới và ở Việt Nam

Sự phát triến của vật liệu FRP được bắt đầu từ việc phát triển sử dụng vật liệu Compositc sau chiến tranh thế giới lần thứ 2 Ngành công nghiệp hàng không đã sớm nhận ra lợi thế cường độ cao và trọng lượng nhẹ của vật liệu tống hợp composite Trong thời kỳ chiến tranh lạnh, sự đi trước của nền công nghiệp hàng không và công nghệ quốc phòng làm vật liệu composite được ứng dụng rộng rãi hơn Hơn nữa, sự phát triển nhanh về kinh tế đòi hỏi các vật liệu giá rẻ để đáp ứng được yêu cầu sử dụng dân dụng Công nghệ đúc đưa ra các phương pháp nhanh và kinh tế Công nghệ chế tạo vật liệu composite đầu tiên được sử dụng để chế tạo các dụng cụ thể thao như gậy đánh golf, cần câu và một số các vật dụng khác vào những năm 1960 Những vật liệu này đã được xem xét một cách nghiêm túc nhằm ứng dụng vào trong xây dựng như một loại cốt thép để tận dụng các tính năng ưu việt của nó

Sự mở rộng của hệ thống giao thông làm tăng nhu cầu bảo dưỡng hàng năm Các nước ở vùng có băng tuyết, sừ dụng muối làm tan băng cũng như các công trình ở vùng gần biển làm sự ăn mòn cốt thép, hiện tượng gỉ trở thành một vấn đề lớn Nhiều biện pháp đã được thử nghiệm bao gồm mạ kẽm, phun lớp bọc kim loại, sử dụng bê tông pôlyme, bọc êpôxy và sử dụng cốt dạng sợi pôlyme Trong những phương pháp này, cốt thép bọc êpôxy có vẻ là giải pháp tốt nhất và được phát triển để làm giải pháp chống ăn mòn Vật liệu pôlyme cốt sợi (FRP) đã không được xem là giải pháp khả thi cho tới những năm 1970 Tại Mỹ, tập đoàn Marshall Vega lần đầu tiên phát triển pôlyme

dạng thanh sử dụng sợi thủy tinh Ban đầu, các thanh pôlyme sợi thủy tinh (GFRP) được xem xét là một phương án thay thế cho cốt thép cho bê tông pôlyme do sự không tương thích về hệ số giãn nở nhiệt giữa bê tông pôlyme

và thép Đến cuối những năm 1970 và đầu 1980, các nghiên cứu về FRP ứng dụng trong xây dựng bắt đầu phát triển nở rộ

Vào những năm 1980, thị trường xây dựng đòi hỏi những loại vật liệu phi kim cho các công nghệ hàng đầu lúc đó Nhu cầu lớn nhất lúc đó là các vật liệu cốt thép không dẫn điện là các chi tiết có thể lưu dữ liệu trong các thiết bị y tế Các loại thanh pôlyme cốt sợi đã trở thành chuẩn mực cho những công trình dạng tương tự Các ứng dụng khác được sử dụng với lợi thế của vật liệu này được biết đến nhiều hơn và được mong muốn nhiều hơn trong các đập ngăn nước biển, nền móng trạm biến áp lò phản ứng, đường băng sân bay

và các phòng thí nghiệm về điện, điện tử

Vào những nãm 1990, liên quan đến sự xuống cấp của các cầu cũ dưới tác dụng của ăn mòn cốt thép, hơn nữa, các cốt thép bọc epôxy cũng được phát hiện ra hiện tượng gỉ làm tăng mối quan tâm tới các biện pháp phòng chống gỉ một lần nữa, FRP lại trở thành một phương án được quan tâm để xử

lý vấn đề gỉ cốt thép trên kết cấu nhịp cầu và các công trình khác tương tự Nhật Bản là nước ứng dụng nhiều nhất vật liệu FRP với hơn 100 dự án dân dụng Các quy định về thiết kế sử dụng FRP được nêu trong khuyến nghị

về thiết kế và thi công của hiệp hội kỹ sư công trình dân dụng Nhật Bản (Japan Society of Civil Engineering - 1997b) Việc tăng cường sửa chữa tại đây lần đầu tiên áp dụng cho cột để tăng cường cốt đai tại Nhật vào những năm 1980 (Fardis và Khalili 1981; Katsumata và đồng nghiệp năm 1987) Sử dụng vật liệu FRP tăng lên đột biến ở Nhật sau khi xảy ra trận động đất Hyogoken Nanbu 1995

Việc sử dụng vật liệu FRP ở Châu Âu bắt đầu ở Đức với việc xây dựng cầu đường bộ sử dụng thép dự ứng lực bằng vật liệu FRP năm 1986 (Meier -

1992) Từ công trình này, Các chương trình đã được phát triển để đẩy mạnh việc nghiên cứu và sử dụng FRP trong phạm vi Châu Âu Dự án BRJTE/EURAM VC “Các phần tử Composite và công nghệ như là cốt phi kim” đã tiến hành các thí nghiệm mở rộng và phân tích vật liệu FRP từ 1991 tới 1996 (Taerwe-1997) Gần đây, EUROCRETE dẫn đầu nỗ lực của Châu

Âu với việc nghiên cứu và thử nghiệm loại vật liệu này Trong tăng cường sửa chữa, Hệ thống FRP được sử dụng như một phương án thay thế cho việc dán bản thép Do bản thép có thể bị gỉ dẫn tới sự xuống cấp của dính bám giữa thép và bê tông, ngoài ra vấn đề thi công khá khó khăn do vậy các nhà nghiên cứu lựa chọn FRP là một phương án thay thế cho thép Các thực nghiệm sử dụng FRP để cải tạo kết cấu bê tông lần đầu tiên sử dụng năm 1978 ở Đức Nghiên cứu ở Thụy Sỹ dẫn tới ứng dụng đầu tiên của hệ thống FRP dính bám ngoài đế tăng cường cầu bê tông

Hiệp hội kỹ sư dân dụng Canada hiện đang tiến hành xây dựng các quy định cho việc áp dụng vật liệu FRP trong tiêu chuẩn thiết kế cầu và đã tiến hành xây dựng một số dự án thử nghiệm, cầu Headingley ở bang Manitoba sử dụng cả CFRP và GFRP (Rizkalla - 1997), hơn nữa, cầu Kent trên đường số

10 sử dụng lưới CFRP trong bản mặt cầu và GFRP trong lan can và lề người

đi được thông xe vào tháng 12 năm 1997

Tại Mỹ, Hệ thống FRP được sử dụng khá phổ biến không chỉ trong xây dựng mới mà còn trong tăng cường kết cấu hiện hữu Việc ứng dụng vật liệu FRP được sự quan tâm liên tục và bắt đầu từ những năm 1930 Tuy nhiên ứng dụng vật liệu này trong sửa chữa mới được quan tâm thực sự vào năm 1980 Các hoạt động nghiên cứu ứng dụng vật liệu FRP cho đến nay đã tương đối hoàn thiện cho nhiều ứng dụng trong các môi trường khác nhau

Hình 2.1: Công nghệ FRP được ứng dụng trong tăng cường kết cấu cầu

Sự phát triển của các tiêu chuẩn và quy phạm cho hệ thống FRP dính bám ngoài đã và đang được xây dựng tại Châu Âu, Nhật, Canada và Mỹ Trong khoảng thời gian 10 năm, Hiệp hội kỹ sư Kết cấu Nhật Bản (JSCE) và Viện Bê tông Nhật Bản (JCI) và Viện Nghiên cứu kỹ thuật Đường sắt (RTRI)

đã xuất bản nhiểu tài liệu liên quan đến ứng dụng vật liệu FRP trong kết cấu

bê tông Tại Châu Âu, Hiệp hội quốc tế về kết cấu bê tông (FIB) gần đây đã xuất bản nhiều bài viết về hướng dẫn thiết kế cho vật liệu FRP dính bám ngoài đối với kết cấu bê tông (FTB-2001) Hiệp hội tiêu chuẩn Canađa và ISIS đã chủ động trong việc phát triển các chỉ dẫn đối với hệ thống FRP Chương 16 (bê tông cốt sợi) của Quy trình thiết kế cầu Canađa đã hoàn thành vào năm 2000 (CSA- S806-02) và Hiệp hội tiêu chuẩn Canađa (CSA) gần đây

đã phê chuẩn “Thiết kế và thi công các bộ phận công trình xây dựng với cốt pôlymer” Tại Mỹ, ứng dụng vật liệu FRP đã trở nên tương đối phổ biến với ngành công nghiệp xây dựng và xuất bản chỉ dẫn kỹ thuật trong nhiều tài liệu khác nhau như ACI, CALTRANS 1996, l lawkin và đồng nghiệp năm 1994 Tại Việt Nam, vật liệu FRP hiện mới đang trong thời kỳ nghiên cứu ứng dụng Việc ứng dụng vật liệu này trong xây dựng còn rất mới mẻ Tận dụng

tính năng bền với môi trường và có cường độ cao, khả năng dễ dàng thi công đối với các công trình sửa chữa Tuy nhiên, việc ứng dụng loại vật liệu này còn nhiều hạn chế do chưa có các tiêu chuẩn trong nước đế áp dụng loại vật liệu này Hơn nữa, các sản phẩm FRP mang tính thương mại chưa nhiều.Ứng dụng đầu tiên của vật liệu FRP trong tăng cường sửa chữa câu là công trình cẩu Trần Thị Lý ở Đà Nẵng Một số các công trình xây dựng khác trong lĩnh vực xâỵ dụng dân dụng cũng đang được nghiên cứu triển khai Hãng vật liệu đang tiến hành nghiên cứu tiếp thị thị trường trong nước có một số hãng đã bắt đầu triển khai Một trong các hãng đã và đang hợp tác triển khai với tác giả luận văn là hãng Tyfo của Singapore và đang tiến hành đề xuất các biện pháp xử lý tăng cường kết cấu bê tông nhà dân dụng

2.1.2 Khái quát về các loại vật liệu FRP

Các sản phẩm pôlyme cốt sợi (FRP) lần đầu tiên được sử dụng trong kết cấu bê tông vào đầu những năm 1950 Ngày nay, các sản phẩm từ vật liệu pôlyme cối sợì có dạng thanh, lưới phang, lưới không gian, dạng tao cáp, tấm

và dải Các sản phấm FRP có thể đạt được các tính năng tương đương hay hơn so với các sản phẩm thông dụng như cốt thép, tao thép dự ứng lực hay các tấm thép không gỉ Các nỗ lực cho sự phát triển các ứng dụng và sản phẩm từ FRP thay thế cho các vật liệu kim loại trên các khía cạnh:

 Các công nghệ chế tạo tiên tiến để giảm chi phí chế tạo

 Cải tiến công nghệ thi công để thích hợp hơn với đặc trưng vật liệu cao

và giảm chi phí xây dựng

 Cải thiện cấu tạo vi mô của hỗn hợp các cốt và ma trận keo liên kết để đảm bảo tính tương thích với xi măng porland

Các sản phấm của FRP thường sử dụng các cốt dạng liên tục như: thủy tinh, aramid, sợi các bon nằm trong hỗn hợp chất keo Loại keo mà cho phép các thớ làm việc đồng thời như là một phần tử đơn Chất kết dính là loại

chất dẻo nhiệt rắn (Polyeste, Vini! Polỵeste ) hay nhựa dẻo nhiệt (nylon, polyetylen dạng vòng ) Vật liệu lông hợp Vật liệu composite FRP dạng dạng sợi có sự khác biệt so với các vật liệu composite dạng sợi ngắn mà được

sử dụng rộng rãi ngày nay để tăng cường cho các sản phẩm có gốc xi măng trong các bộ phận không phải là kết cấu chịu lực chính được biết dưới dạng

bê tông cốt sợi (FRC) Các phương pháp chế tạo mang tới các thớ liên tục trong hỗn hợp keo kết dính cho phép vật liệu FRP theo cách tương tự như cốt thép trong kết cấu bê tông để đạt được cường độ

Hình 2.2: Cấutạo điển hình của vật liệu composite

Composite là một hộ thống hỗn hợp vật liệu Khái niệm Composite có thể

áp dụng cho bất kỳ tổ hợp nào của hai hay nhiều hơn các loại vật liệu riêng rẽ

mà có bề mặt riêng rẽ phân biệt được, hầu hết thường với một pha bề mặt như

là xử lý bê mặt sử dụng trên các thành phần được lựa chọn để cải thiện sự dính bám của thành phần đó với hỗn hợp pôlyme Trong nội dung của luận văn, composite là hỗn hợp của vật liệu pôlyme được tăng cường bởi các thớ hay các cốt với một tỉ lệ rõ ràng về chiều dài và chiều dày Các vật liệu composite này cũng được định nghĩa như là hỗn hợp pôlyme được tăng cường

bởi các thớ Định nghĩa này cần phải được làm rõ khi mô tả vật liệu composite trong ứng dụng đối với kết cấu

Tính năng của các vật liệu composite phụ thuộc vào loại vật liệu được

sử dụng mà kết hợp để tạo nên vật liệu composite Sự bố trí các thành phần chịu lực chính của vật liệu composite (thớ, cốt) và sự tương tác giữa các thành phần vật liệu (thớ và hỗn hợp keo kết dính) Các yếu tố chính ảnh hưởng đến tính năng của vật liệu composite là các đặc trưng cơ học của cốt sợi, hướng của các cốt sợi, chiều dài, hình dáng và các thành phân của cốt, đặc trưng cơ

lý của chất kết dính (chất nền) và mức độ dính của mặt tiếp xúc giữa cốt sợi

và chất nền

2.1.2.1 Chất nền pôlyme và vai trò của nó trong vật ỉiệu composite

Pôlyme là một chuỗi các phần tử có một hay nhiều thành phần lặp được liên kết với nhau bởi dạng liên kết cộng hóa trị mạnh Một vật liệu pôlyme (ví dụ như nhựa) là một tập hợp của rất nhiều chuỗi pôlyme có cùng một cấu trúc hóa học phần tử Trong trạng thái cứng, Nếu các phần tử ở dạng sắp xếp ngẫu nhiên, chúng được gọi là pôlyme vô định hình Nêu các phân tử ở dạng sắp xếp gồm tổ hợp của sự sắp xếp có thứ tự và ngẫu nhiên thì gọi là dạng kết tinh (tinh thể) Hơn nữa, các thành phần cấu thành của các phần tử pôlyme có thể trong trạng thái dao động Trạng thái dao động này tăng lên khi nhiệt độ tăng Điều này làm tăng sự phụ thuộc vào đặc tính nhiệt của pôlyme ở trạng thái cứng

Vật liệu kết dính pôlyme khác so với kim loại trên nhiều khía cạnh có thế ảnh hưởng tới đặc tính của nó trong việc áp dụng đối với két cấu Đặc tính

cơ học của vật liệu composite phụ thuộc nhiều vảo biên độ nhiệt và tốc độ chất tải Trong phạm vi nhiệt độ chuyển hóa thủy tinh, các vật liệu pôlyme chuyến từ trạng thái rắn (ròn) sang trạng thái mềm Mô đun chịu kéo của chất pôlyme kết dính có thế giảm rất nhiều tới mức vật liệu biến thành dạng đàn

nhớt Khi có tải trọng áp dụng, vật liệu biến dạng đàn hồi và biến dạng nhớt nhỏ Khi nhiệt độ tăng, chất pôlỵme thay đổi sang dạng cao su dẻo, các biến dạng ở dạng đàn hồi với biến dạng lõm Khi nhiệt độ tăng lên thêm, pôlyme biến thành dạng vô định hình và bán kết tinh và đạt trạng thái dẻo nhớt Nhiệt độ kết tinh của chất dẻo nhiệt rắn bị khống chế bởi sự thay đốỉ số liên kết ngang giữa các chuỗi phần tử Đối với loại pôlyme có mật độ liên kết cao, nhiệt độ chuyển đổi trạng thái có thể khó quan sát Các loại vật liệu này như pôlyeste, vinyl ester hay êpôxy, không có trạng thái hóa dẻo Hầu hết các loại chất dẻo áp dụng trong xây dựng có nhiệt độ nóng chảy cao và hầu như không cháy

Ảnh hưởng của tốc độ gia tảỉ là quá trình ngược lại vói sự ảnh hưởng của nhiệt độ Ở tốc độ gia tải cao hay thời gian tác dụng tải ngắn, vật liệu pôlyme ứng xử dạng rắn, ròn Với tốc độ gia tải thấp, vật liệu có đặc tính dẻo

Vật liệu pôlyme không bão hòa được chế tạo bởi sự đa trùng ngưng của các dẫn suất hydrôxit và các axit hữu cơ cơ bản hoặc anhidrit Các keo chảy lỏng có thế tổ hợp với các pôlyme dạng đơn đề tạo thành các tinh thế keo liên kết ngang mật độ cao Các pôlyme sau đó được hòa tan và phản ứng với các pôlyme dạng đơn ví dụ styren Nhiệt độ và chất hữu cơ tự do khác đóng vai trò chất xúc tác cùng với một số phụ gia khác Hệ thống kết tinh cũng được điều chỉnh sao cho sản phẩm ra đời có những đặc tính mong muốn