Một trong những vấn đề thường gặp của cầu bê tông cốt thép dự ứng lực căng ngoài là hư hỏng cáp dự ứng lực căng ngoài do các tác động va chạm của xe cộ, tàu thuyền hay do môi trường ăn mòn. Các hư hỏng xảy ra ở cáp dự ứng lực sẽ làm giảm hiệu ứng lực dự ứng lực, làm cho bê tông chịu tải nhiều hơn, giảm khả năng chịu tải của cầu và có thể dẫn đến sự sụp đổ của công trình. Bài báo này đi sâu vào việc phân tích ảnh hưởng của hư hỏng cáp dự ứng lực căng ngoài đến khả năng chịu tải của cầu dầm hộp bê tông cốt thép đúc hẫng cân bằng.
Trang 1ẢNH HƯỞNG CỦA MẤT MÁT ỨNG SUẤT CÁP DỰ ỨNG LỰC NGOÀI ĐẾN KHẢ NĂNG CHỊU TẢI CỦA CẦU DẦM HỘP BÊ TÔNG CỐT THÉP ĐÚC HẪNG
EFFECT OF PRESTRESS LOSS IN THE EXTERNAL TENDONS ON LOADING CAPACITY OF CANTILEVER REINFORCED CONCRETE BOX GIRDER BRIDGE
KS Phạm Ngọc Hưng, TS Nguyễn Danh Thắng, TS Hồ Thu Hiền
TÓM T ẮT
Một trong những vấn đề thường gặp của cầu bê tông cốt thép
dự ứng lực căng ngoài là hư hỏng cáp dự ứng lực căng ngoài do
các tác động va chạm của xe cộ, tàu thuyền hay do môi trường
ăn mòn Các hư hỏng xảy ra ở cáp dự ứng lực sẽ làm giảm hiệu
ứng lực dự ứng lực, làm cho bê tông chịu tải nhiều hơn, giảm
khả năng chịu tải của cầu và có thể dẫn đến sự sụp đổ của công
trình Bài báo này đi sâu vào việc phân tích ảnh hưởng của hư
hỏng cáp dự ứng lực căng ngoài đến khả năng chịu tải của cầu
dầm hộp bê tông cốt thép đúc hẫng cân bằng
ABSTRACT
One of the common problems of external tendon reinforced
concrete bridge is damaged by vehicle collision or corrosion
The damage occurred in the tensioning cable will reduce the
effects of post-tensioning force, making concrete overload and
could lead to the collapse of bridge This paper concentrates to
analyze the influence of loss of stress in the external tendons on
loading capacity of cantilever reinforced concrete box girder
bridge
KS Ph ạm Ngọc Hưng
Học viên Cao học, Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng, Trường Đại Học
Bách Khoa – Đại Học Quốc Gia Tp.HCM
Email: hungphamngoc7189@gmail.com
Điện thoại: 08.3849 3594
TS Nguy ễn Danh Thắng
Giảng viên, Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng, Trường Đại Học Bách
Khoa – Đại Học Quốc Gia Tp.HCM
Email: ndthang@hcmut.edu.vn
Điện thoại: 08.3864 3955
TS H ồ Thu Hiền
Giảng viên, Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng, Trường Đại Học Bách
Khoa – Đại Học Quốc Gia Tp.HCM
Email: hothuhien@hcmut.edu.vn
Điện thoại: 08.3864 5856
1 Giới thiệu
Những năm gần đây, ở Việt Nam, việc sử dụng cáp dự ứng
lực căng trong kết hợp cùng với cáp căng ngoài cho cầu bê tông
cốt thép là hướng phát triển mới trong kỹ thuật xây dựng cầu
Điều này được minh chứng bằng những công trình đã được xây
dựng như cầu Sông Gianh, cầu Yên Lệnh…
Dự ứng lực ngoài là phương pháp dự ứng lực căng sau với
các bó cáp được đặt ngoài tiết diện của các phần tử trong kết
cấu Trước đây, cáp dự ứng lực căng ngoài được sử dụng để
tăng cường khả năng kháng uốn cho cầu hay công trình bị hư
hỏng, xuống cấp So với cáp căng trong, việc sử dụng cáp dự
ứng lực căng ngoài khi thiết kế ngày càng được áp dụng rộng rãi
nhờ vào một số ưu điểm như giảm tổn thất ứng suất do ma sát,
giảm tiết diện giảm yếu, duy tu bảo dưỡng đơn giản… Tuy
nhiên, do nằm ngoài tiết diện, không được lớp bê tông của dầm
bảo vệ như cáp căng trong nên cáp dự ứng lực căng ngoài dễ bị
hư hỏng và ảnh hưởng đến sự làm việc của cáp như ăn mòn do
môi trường, va chạm xe cộ, tàu thuyền…
Hiện nay, thành phố Hồ Chí Minh đang tập trung xây dựng
tuyến metro số 1 để giải quyết nhu cầu giao thông công cộng
của người dân Với hơn 17 km tuyến metro đi trên cao, hàng
loạt cầu bê tông dự ứng lực, trong đó có đến 9 cầu 3 nhịp liên
tục - một số cầu sử dụng cáp dự ứng lực căng ngoài, được thi công theo phương pháp đúc hẫng cân bằng [1] Do chi phí xây
dựng lớn và tầm quan trọng của tuyến metro này đối với hệ
thống hạ tầng giao thông của thành phố nên vấn đề quản lý khai thác cần phải được quan tâm ngay từ giai đoạn ban đầu của quá trình xây dựng
Trước đây, đã có một số nghiên cứu về mất mát ứng suất của cáp dự ứng lực trong cầu đúc hẫng như từ biến, co ngót, hay ảnh hưởng của nhiệt độ Nhưng trong quá trình khai thác, vẫn tồn
tại một số nguyên nhân (đã kể trên) gây mất mát ứng suất trong cáp, ảnh hưởng đến hiệu ứng lực dự ứng lực của cáp tác dụng vào bê tông [2]
Từ những lý do trên, nghiên cứu này được tiến hành để đánh giá sự ảnh hưởng của hư hỏng cáp dự ứng lực căng ngoài đến ứng suất trong bê tông, chuyển vị của cầu dưới tác dụng của
hoạt tải đoàn tàu
2 M ột số hư hỏng thường gặp của cáp dự ứng lực căng ngoài
Theo thời gian sử dụng, cầu bê tông dự ứng lực có thể bị hư
hỏng, xuống cấp do tác động va chạm từ các phương tiện vận tải như xe cộ, tàu thuyền gây đứt cáp dự ứng lực hay các tác nhân
ăn mòn từ môi trường gây rỉ sét cốt thép,… Trong đó rỉ cốt thép
dự ứng lực cần được chú ý theo dõi bởi vì chúng thường xuất
hiện trong môi trường có tính ăn mòn cao (Hình 1 và Hình 2)
Hình 1 Hư hỏng cáp dự ứng lực căng ngoài do ăn mòn [3]
Hình 2 Đứt cáp dự ứng lực ở đầu neo Cầu Niles Channel
(6/1999) [4]
Hư hỏng cáp dự ứng lực do ăn mòn có thể xảy ra ở cáp căng trong hay cáp căng ngoài Do diện tích tiếp xúc với môi trường nhiều hơn cáp dự ứng lực căng trong, nên cáp căng ngoài dễ bị
ăn mòn do tác động của môi trường Theo [5] và [6], mất mát
tiết diện cáp dự ứng lực do ăn mòn thường xảy ra bởi hai lí do chính sau:
+ Cáp dự ứng lực chịu ứng suất kéo trong khoảng 55 đến 65% giới hạn kéo đứt, có thể ứng suất kéo đạt giá trị cao hơn khi chịu các tải trọng nhất thời (hoạt tải) Do đó, khi cáp bị ăn mòn, ứng suất kéo trong cáp tăng lên đến giới hạn chảy và dẫn đến đứt cáp
+ Cường độ chịu kéo của thép dự ứng lực cao hơn 4 đến 5 lần
Trang 2so với thép thường, do đó mức độ nguy hiểm do ăn mòn thép dự
ứng lực cũng cao hơn tương ứng Bên cạnh đó, thép dự ứng lực
thường được sản xuất thành những tao cáp có đường kính nhỏ,
nên diện tích tiếp xúc với môi trường lớn hơn, dẫn đến việc cốt
thép sẽ bị ăn mòn nhanh hơn so với cốt thép thường có cùng
đường kính
Hình 3 Ăn mòn 25% tiết diện của cáp dự ứng lực [7]
Khi có một hoặc nhiều tao cáp bị ăn mòn dẫn đến đứt một số
tao cáp, ứng suất trong các tao cáp còn lại tăng nhưng làm giảm
hiệu ứng dự ứng lực của cáp đối với bê tông, dẫn đến ứng suất
nén trong bê tông giảm
Hình 4 Đứt một số tao cáp dự ứng lực căng ngoài [8]
Như vậy, trong quá trình quản lý khai thác cầu bê tông cốt
thép dự ứng lực, để theo dõi, phát hiện hư hỏng của bê tông
cũng như cáp dự ứng lực, cần phải có phương pháp và thiết bị
phù hợp với các loại hư hỏng khác nhau Các số liệu đo về biến
dạng, chuyển vị, dao động hay ứng suất trong cáp dự ứng lực,
ứng suất trong bê tông,… sẽ xác định được hư hỏng của cầu và
ảnh hưởng của hư hỏng đến sự làm việc của cầu bê tông dự ứng
lực
Tóm lại, có nhiều nguyên nhân gây mất mát ứng suất trong cáp
dự ứng lực theo thời gian sử dụng và ảnh hưởng đến khả năng
chịu tải của cầu bê tông như: tăng độ võng, xuất hiện các vết nứt
bê tông… (Hình 5)
Hình 5 Các nguyên nhân hư hỏng dẫn đến mất mát ứng suất
của kết cấu bê tông dự ứng lực và hậu quả [2]
3 Ảnh hưởng của mất mát ứng suất đến khả năng chịu tải
c ủa cầu khi cáp dự ứng lực bị hư hỏng
3.1 Mô hình ph ần tử hữu hạn (FEM) của cầu đúc hẫng cân
b ằng
Trong nghiên cứu này, cầu đúc hẫng với nhịp chính dài 102.50 m và 2 nhịp biên dài 82.50m mỗi nhịp được lựa chọn để xây dựng mô hình và phân tích dựa vào phần MIDAS/Civil Trong đó, cáp căng ngoài sử dụng là loại cáp T15, 31 tao/bó, và
diện tích chiếm 27.68% của tổng diện tích cáp dự ứng lực (Hình
6, Hình 7, Hình 8) Bên cạnh đó, mô hình hoạt tải được sử dụng
là hoạt tải đoàn tàu (Hình 9) Chuyển vị lớn nhất của cầu do
hoạt tải gây ra là 31.41mm (Hình 10)
Hình 6 Mô hình 3D cầu đúc hẫng
Hình 7 Mặt cắt ngang đại diện tại vị trí giữa nhịp
Hình 8 Mặt cắt ngang đại diện tại vị trí đỉnh trụ
Trang 3Hình 9 Mô hình hoạt tải đoàn tàu
Hình 10 Chuyển vị lớn nhất của cầu dưới tác dụng của hoạt tải
3.2 Ảnh hưởng của mất mát ứng suất cáp dự ứng lực căng
ngoài đến cầu đúc hẫng
Trong nghiên cứu này, dựa vào sự hư hỏng, xuống cấp của
cáp dự ứng lực căng ngoài, các cáp dự ứng lực E1, E2 và E3 sẽ
được chia làm nhiều trường hợp (N=1 đến N=6 bó cáp) và giả
thiết lần lượt giảm 5%, 10%, 15%, 20%, 40%, 80% và 100%
ứng suất trong cáp để phân tích ảnh hưởng của sự mất mát này
đến ứng suất trong bê tông, chuyển vị dầm và sự gia tăng ứng
suất trong quá trình khai thác dưới tác dụng của hoạt tải đoàn
tàu
Hình 11 Quan hệ giữa ứng suất tiếp lớn nhất trong bê tông và tỷ
lệ mất mát ứng suất trong cáp dự ứng lực căng ngoài
Hình 12 Quan hệ giữa ứng suất pháp lớn nhất trong bê tông và
tỷ lệ mất mát ứng suất trong cáp dự ứng lực căng ngoài
Hình 13 Quan hệ giữa chuyển vị lớn nhất của dầm tại vị trí giữa
nhịp biên và tỷ lệ mất mát ứng suất trong cáp dự ứng lực căng
ngoài
31.41mm
17.23mm
31.41mm
Trang 4Hình 14 So sánh sự gia tăng ứng suất trong cáp dự ứng lực
căng trong và cáp dự ứng lực căng ngoài theo tỷ lệ mất mát ứng
suất cáp dự ứng lực căng ngoài
Trong các trường hợp phân tích mất mát ứng suất của cáp dự
ứng lực căng ngoài, kết quả tính toán cho thấy:
+ Ứng suất tiếp tăng không đáng kể (Hình 11) Với cấu tạo
của cốt thép đai, dầm vẫn đảm bảo khả năng chịu cắt
+ Ứng suất trong bê tông vượt qua giới hạn chịu kéo
(1.85MPa) khi mất 72% ứng suất trong toàn bộ các bó cáp
(Hình 12)
+ Chuyển vị của dầm tăng tuyến tính theo tỷ lệ mất mát
ứng suất trong cáp dự ứng lực căng ngoài và giá trị lớn nhất tại
vị trí giữa nhịp biên là 73.15mm nhưng vẫn nhỏ hơn trị số cho
phép L/1000=82500/1000=82.5mm (Hình 13)
+ Khi tỷ lệ mất mát ứng suất trong cáp dự ứng lực căng
ngoài trong khoảng 0-20%, gia tăng ứng suất trong cáp căng
ngoài và căng trong có sự chênh lệch không đáng kể (1.02MPa)
Khi tỷ lệ mất mát ứng suất này tăng lên 100% thì sự chênh lệch
tăng 6.15 Mpa (Hình 14) Mặc dù ứng suất trong cáp căng ngoài
và cáp căng trong tăng, nhưng ứng suất kéo cuối cùng trong cáp
vẫn nhỏ hơn giá trị cho phép (0.80fpy=1336 MPa)
+ Mất mát 63% ứng suất trong 3 bó cáp (N=3), tương
đương mất mát 31.50% ứng suất trong 6 bó cáp dự ứng lực căng
ngoài; đây là trường hợp bê tông chuyển sang trạng thái chịu
kéo nhanh nhất (Bảng 1)
Bảng 1 Sự tương quan giữa mất mát ứng suất trong N bó cáp
với mất mát ứng suất trên tổng số các bó cáp dự ứng lực căng
ngoài tại thời điểm bê tông chuyển sang trạng thái chịu kéo (ứng
suất nén trong bê tông bằng 0 MPa)
N
% mất mát ứng suất của
N bó cáp dự ứng lực
căng ngoài
% mất mát ứng suất trong toàn bộ các bó cáp
dự ứng lực căng ngoài
4 K ết luận và kiến nghị
Bài báo tập trung vào việc phân tích ảnh hưởng của việc mất mát ứng suất của cáp dự ứng lực căng ngoài đến khả năng chịu
tải của cầu dầm hộp dựa vào việc phân tích mô hình phần tử
hữu hạn của cầu Thông qua các kết quả phân tích, ta có thể rút
ra các kết luận chính sau:
+ Trong trường hợp cáp dự ứng lực căng ngoài bị mất mát ứng suất, vị trí nguy hiểm nhất của cầu sẽ là đỉnh trụ Khi tỷ lệ
mất mát ứng suất trong cáp dự ứng lực căng ngoài là 31.50%, bê tông chuyển sang trạng thái chịu kéo và sẽ vượt qua giới hạn
chịu kéo khi tỷ lệ mất mát ứng suất lên đến 72% Trong khi đó,
bê tông tại các vị trí khác vẫn chịu nén
+ Ứng suất tiếp trong bê tông tăng không đáng kể khi mất mát ứng suất trong cáp dự ứng lực ngoài tăng Với cấu tạo của
cốt thép đai, dầm vẫn đủ khả năng chịu cắt
+ Khi xảy ra mất mát ứng suất trong cáp dự ứng lực căng ngoài, cáp dự ứng lực căng trong sẽ chịu tải nhiều hơn cáp dự ứng lực căng ngoài Nhưng ứng suất kéo trong cáp dự ứng lực căng trong vẫn nhỏ hơn giá trị cho phép
+ Mặc dù độ võng lớn nhất của dầm do hoạt tải đoàn tàu tăng lên đáng kể (hơn 2 lần) nhưng vẫn nằm trong độ võng cho phép
Ngoài ra, để kết quả mang tính tổng quát hơn, ta cần tiến hành nghiên cứu thêm nhiều trường hợp mất mát ứng suất, trong
đó tập trung phân tích các trường hợp mất mát ứng suất của cáp
dự ứng lực căng trong hay tổ hợp của cáp căng trong và căng ngoài
TÀI LI ỆU THAM KHẢO
[1] Hồ sơ Báo cáo thẩm định thiết kế kỹ thuật chính thức cầu Sài Gòn tuyến metro số 1, tháng 7 năm 2013
[2] S Sumitro, K Hida, T Le Diouron, Structural health
monitoring paradigm for concrete structures, 28th
Conference on Our World In Concrete & Structures, vol
Conference Documentation Volume XXII, pp 525-532, 27-29 August 2003
[3] Nguyen Danh Thang, Hitoshi Yamada, Hiroshi Katsuchi
and Eiichi Sasaki, Damage detection of a long-span bridge
by wind-induced response, IABSE-IASS Symposium
London 2011, London - United Kingdom, 2011
[4] Rodney G.Powers, Alberto A.Sagues and Yash Paul
Virmani, Corrosion of post-tensioned tendons in Florida
bridge, Research Report No FL/DOT/SMO/04-475
[5] ACI 222.2R-01, Corrosion of Prestressing Steels,
American Concrete Institute, 2001
[6] ACI 423.4R-98, Corrosion and Repair of Unbonded Single
Strand, American Concrete Institute, 1998
[7] Keith Kesner and Randall W.Poston, Evaluation of
Corrosion Damage in Unbonded Post-Tensioned Concrete Structures: Misunderstandings and Moving Forward,
Whitlock Dalrymple Poston & Associates, Inc, Consulting Engineer
[8] Jeff Pouliotte, PT Grouting and Corrosion Issues in
Florida, FDOT State Structures Maintenance Engineer ,
State of Florida
[9] Nguyen Danh Thang, Fundamental Study On Structural
Damage Detection Vibration Response Of Long Span Suspension Bridge, Dr.Eng Thesis, Yokohama National
University, Japan, 2010
[10] G.T.Webb; P.J.Vardanega,Ph.D.,M.ASCE; P.R.A.Fidler;
and C.R Middleton, PhD., C.Eng, Analysis of Structural
Health Monitoring Data from Hammersith Flyover, Journal
of Bridge Engineering, ASCE, vol 19, no 6, 28 February
2014
