Trong quá trình khai thác, vấn đề thường gặp của cầu bê tông cốt thép dự ứng lực sử dụng cáp căng ngoài là ăn mòn cáp do tác động từ môi trường. Sự ăn mòn xảy ra ở cáp dự ứng lực căng ngoài sẽ dẫn đến đứt một vài tao cáp hay cả bó cáp, dẫn đến việc giảm hiệu ứng lực dự ứng lực, 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 mất mát tiết diện cáp dự ứng lực căng ngoài đến khả năng chịu tải của cầu dầm hộp bê tông cốt thép
Trang 1ẢNH HƯỞNG CỦA MẤT MÁT TIẾT DIỆN CÁP DỰ ỨNG LỰC CĂNG NGOÀI
TRONG GIAI ĐOẠN KHAI THÁC ĐẾN KHẢ NĂNG CHỊU TẢI
EFFECT OF LOSS OF CROSS-SECTIONAL AREA OF EXTERNALLY PRESTRESSED TENDONS ON
LOADING CAPACITY OF REINFORCED CONCRETE BOX GIRDER BRIDGE IN SERVICE STAGE
ThS Phạm Ngọc Hưng, TS Nguyễn Danh Thắng, TS Hồ Thu Hiền
TÓM T ẮT
Trong quá trình khai thác, vấn đề thường gặp của cầu bê
tông cốt thép dự ứng lực sử dụng cáp căng ngoài là ăn mòn cáp
do tác động từ môi trường Sự ăn mòn xảy ra ở cáp dự ứng lực
căng ngoài sẽ dẫn đến đứt một vài tao cáp hay cả bó cáp, dẫn
đến việc giảm hiệu ứng lực dự ứng lực, 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 mất mát tiết diện cáp
dự ứng lực căng ngoài đến khả năng chịu tải của cầu dầm hộp
bê tông cốt thép
T ừ khóa: cầu dầm hộp bê tông cốt thép dự ứng lực, cáp dự ứng
lực căng ngoài, mất mát tiết diện cáp
ABSTRACT
In the service stage, the most common problem of external
tendon reinforced concrete bridge is that they are corroded by
environmental effects The corrosion of externally prestressed
tendons causes the breaking of some strands or a whole tendon;
thus, the effects of post-tensioning force and the load capacity
of the bridge is reduced, which leads to the collapse of the
whole structure This paper was carried out to the influence of
the loss in cross-sectional area of external tendons on loading
capacity of reinforced concrete box girder bridge
Key words: prestressed box beam bridge, external
post-tensioning, loss in cross-sectional area of tendons
ThS Ph ạm Ngọc Hưng
Công ty Cổ phần Tư vấn đầu tư và xây dựng GTVT
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
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 thường được sử dụng
để tăng cường khả năng kháng uốn cho cầu hay công trình bị hư
hỏng, xuống cấp 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 (Quảng Bình),
cầu Yên Lệnh (Hưng Yên), cầu Thị Nại (Bình Định)…
So với cáp căng trong, việc sử dụng cáp dự ứng lực căng
ngoài 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… Mặc dù được bảo vệ bằng vữa
cường độ cao, nhưng 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
Theo quy hoạch tổng thể phát triển giao thông đô thị tại thành phố Hồ Chí Minh, rất nhiều dự án đường sắt đô thị (metro) được đầu tư xây dựng, điển hình là tuyến Metro số 1 đang được tập trung xây dựng để giải quyết một phần nhu cầu giao thông công cộng của người dân Tuyến Metro số 1, với hơn
17 km đi trên cao, sẽ sử dụng cầu bê tông dự ứng lực, trong đó
có một số cầu sử dụng cáp dự ứng lực căng ngoài, và thi công theo phương pháp đúc hẫng cân bằng [1] Do tuyến Metro số 1
là công trình quan trọng 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… khi thiết kế và ảnh hưởng của mất mát ứng suất trong cáp dự ứng lực căng ngoài đến khả năng chịu tải
của cầu dầm hộp bê tông cốt thép [2] Trong quá trình khai thác,
sự hư hỏng của cáp cũng làm giảm hiệu ứng lực dự ứng lực của cáp tác dụng vào bê tông [3]
Từ những lý do trên, nghiên cứu này được tiến hành để đánh giá sự ảnh hưởng của mất mát tiết diện cáp dự ứng lực căng ngoài đến khả năng chịu tải của cầu dầm hộp bêtông cốt thép
2 M ột số hư hỏng thường gặp của cáp dự ứng lực căng ngoài
Trong quá trình thi công lớp vữa bảo vệ cáp căng ngoài, vẫn
tồn tại một số nguyên nhân làm cho lớp bảo vệ này không phủ
hết toàn bộ cáp Từ đó tạo điều kiện cho môi trường xâm thực, gây ăn mòn và dẫn đến đứt cáp Đặc biệt, cáp căng ngoài thường bị gỉ khi sử dụng 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 [4]
Hình 2 Đứt bó cáp dự ứng lực căng ngoài [4]
Trang 2Theo [5] và [6], mất mát tiết diện cáp dự ứng lực do ăn mòn
là vấn đề nghiêm trọng bởi hai lí do chính sau:
+ Trong quá trình sử dụng, bản thân cáp dự ứng lực đã tồn tại
ứng suất kéo khoảng từ 55 đến 65% giới hạn kéo đứt Do đó,
khi cáp bị ăn mòn, ứng suất kéo trong cáp tăng lên đến giới hạn
chảy và cáp không còn làm việc như thiết kế ban đầu
+ Cường độ chịu kéo của thép dự ứng lực cao hơn 4 đến 5 lần
so với thép thường, do đó mức độ nguy hiểm do ăn mòn thép dự
ứng lực cũng cao hơn tương ứng
Hình 3 Ăn mòn 25% tiết diện của cáp dự ứng lực [7]
Mặc dù mất mát tiết diện do ăn mòn cáp dự ứng lực sẽ gây
gia tăng ứng suất trong cáp nhưng hiệu ứng dự ứng lực của cáp
đối với bê tông lại giảm đi, dẫn đến ứng suất nén trong bê tông
cũng giảm theo
Hình 4 Ăn mòn gây đứt cáp ở đầu neo Cầu Niles Channel
(6/1999) [8]
Tóm lại, cáp dự ứng lực căng ngoài cần được duy tu, bảo
dưỡng thường xuyên, đảm bảo cáp không bị tác động bởi môi
trường Ngoài ra, cũng cần sử dụng thiết bị để quan trắc, đo đạc
các số liệu về biến dạng, chuyển vị, dao động hay ứng suất
trong cáp dự ứng lực để xác định được tình trạng làm việc của
cầu và chẩn đoán các nguyên nhân có thể có gây hư hỏng cáp
căng ngoài
3 Ảnh hưởng của mất mát tiết diện cáp dự ứng lực đến
kh ả năng chịu tải của cầu trong quá trình khai thác
3.1 Cơ sở lý thuyết
Do tác động từ môi trường cáp dự ứng lực căng ngoài có khả
năng bị ăn mòn dẫn đến đứt cáp Khi tiết diện cáp căng ngoài
ban đầu (Aps) giảm đi một lượng ΔAps, với lực căng trong cáp
ban đầu (F1) không đổi, ứng suất trong cáp sẽ tăng lên Δσps,
đồng thời ứng suất nén trong bê tông ban đầu (σc1) cũng mất
mát đi một lượng Δσctương ứng với sự giảm tiết diện ΔAps này
Như vậy, sự gia tăng ứng suất trong cáp căng ngoài được xác
định theo công thức sau:
∆𝜎𝜎𝑝𝑝𝑝𝑝 =𝐴𝐴 𝐹𝐹1
𝑝𝑝𝑝𝑝− ∆𝐴𝐴𝑝𝑝𝑝𝑝−𝐴𝐴𝐹𝐹1
𝐴𝐴𝑝𝑝𝑝𝑝− ∆𝐴𝐴𝑝𝑝𝑝𝑝 Ứng suất nén trong bê tông sau khi có sự mất mát tiết diện
cáp được xác định như sau:
𝜎𝜎𝑐𝑐2 = −𝜎𝜎𝑐𝑐1+ ∆𝜎𝜎𝑐𝑐 = −𝜎𝜎𝑐𝑐1+ (∆𝜎𝜎𝑝𝑝𝑝𝑝∆𝐴𝐴𝑝𝑝𝑝𝑝
𝐴𝐴𝑐𝑐 +∆𝜎𝜎𝑝𝑝𝑝𝑝∆𝐴𝐴𝑝𝑝𝑝𝑝𝑒𝑒𝑝𝑝𝑝𝑝
𝐼𝐼𝑐𝑐 𝑦𝑦𝑡𝑡) Trong đó:
Ac, Ic : Moment quán tính của tiết diện đang xét
e : Độ lệch tâm của bó cáp so với trục trung hòa của
tiết diện
yt : Khoảng cách từ trục trung hòa của tiết diện đến thớ
bê tông đang xét
Trong nghiên cứu này, điều kiện đặt ra là ứng suất trong cáp
dự ứng lực nhỏ hơn giới hạn chảy của cáp (fpy = 1670 MPa), nghĩa là chỉ xét cáp dự ứng lực căng ngoài làm việc trong giai đoạn đàn hồi như thiết kế ban đầu
Theo tiêu chuẩn thiết kế TCN 272-05, đối với thép tự chùng
thấp, ứng suất kéo trong cáp ở trạng thái giới hạn sử dụng không vượt quá 0.8fpy Nếu thiết kế tối ưu thì ứng suất kéo ban đầu trong cáp có thể lấy giá trị 0.8fpy, độ dự trữ còn lại của cáp là 20% fpy Bên cạnh đó, theo chỉ dẫn kỹ thuật khi thiết kế cầu bêtông của Nhật [9] có đề cập giá trị ứng suất kéo trong cáp ở
trạng thái giới hạn sử dụng là 0.75fpy, độ dự trữ còn lại của cáp
sẽ là 25% fpy Do đó, trong nghiên cứu này, tác giả sẽ xem xét giá trị mất mát tiết diện lớn nhất đối với cáp dự ứng lực căng ngoài là 25%
3.2 Mô hình ph ần tử hữu hạn (FEM) của cầu đúc hẫng cân
b ằng
Mô hình sử dụng trong nghiên cứu này dựa trên hồ sơ thiết
kế kỹ thuật cầu Sài Gòn [10]; là cầu đúc hẫng với nhịp chính dài 102.50 m và 2 nhịp biên dài 82.50m mỗi nhịp; phân tích dựa vào phần mềm MIDAS/Civil Trong đó, cáp căng ngoài sử dụng
là loại cáp T15, 31 tao/bó, và diện tích chiếm từ 24.60% đến 27.68% (kể cả cáp dự phòng) của tổng diện tích cáp dự ứng lực
của mặt cắt ngang tại vị trí đỉnh trụ (Hình 5, Hình 6, Hình 7) Bên cạnh đó, mô hình hoạt tải được sử dụng là hoạt tải đoàn tàu (Hình 8) Chuyển vị lớn nhất của cầu do hoạt tải gây ra là 31.41mm (Hình 10)
Hình 5 Mô hình 3D cầu Sài Gòn
Hình 6 Mặt cắt ngang đại diện tại vị trí giữa nhịp và lý hiệu các
bó cáp dự ứng lực
Trang 3Hình 7 Mặt cắt ngang đại diện tại vị trí đỉnh trụ và ký hiệu các
bó cáp dự ứng lực
Hình 8 Mô hình hoạt tải đoàn tàu
Hình 9 Chuyển vị đứng lớn nhất của cầu dưới tác dụng của hoạt
tải
3.3 Ảnh hưởng của mất mát tiết diện cáp dự ứng lực căng
ngoài đến cầu đúc hẫng
Trong nghiên cứu này, dựa trên những hư hỏng thường xảy
ra với cáp dự ứng lực căng ngoài, mất mát tiết diện của cáp dự
ứng lực E1, E2 và E3 sẽ được xem xét nhiều trường hợp (N=1
đến N=6 bó cáp), và giả thiết lần lượt giảm 5%, 10%, 15%, 20%,
25% tiết diện trong cáp
Sau khi phân tích một số trường hợp mất mát tiết diện của
cáp dự ứng lực căng ngoài, kết quả cho thấy:
+ Ứng suất trong cáp căng ngoài đạt giới hạn chảy khi mất
mát ~24.6% tiết diện (Hình 10)
+ Mặc dù ứng suất tiếp tăng nhưng không đáng kể (Hình
11) Với cấu tạo của cốt thép đai, dầm vẫn đảm bảo khả năng
chịu cắt
+ Khi mất mát khoảng 25% tiết diện, bê tông chuyển từ
trạng thái chịu nén sang trạng thái chịu kéo (Hình 12)
+ Chuyển vị của dầm đạt giá trị lớn nhất tại vị trí giữa nhịp
biên là 45.41 mm nhưng vẫn nhỏ hơn giá trị cho phép là
L/1000=82500/1000=82.5mm (Hình 13) Trong khi đó, chuyển
vị dầm tại giữa nhịp chính tăng rất ít, khoảng 5mm (Hình 14)
Hình 10 Quan hệ giữa ứng suất và tỷ lệ mất mát tiết diện trong
cáp dự ứng lực căng ngoài
Hình 11 Quan hệ giữa ứng suất tiếp lớn nhất trong bê tông và tỷ
lệ mất mát tiết diện 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 tiết diện trong cáp dự ứng lực căng ngoài
1257 1307 1357 1407 1457 1507 1557 1607 1657
0%
5%
10%
15%
20%
25%
30%
35%
0% 5% 10% 15% 20% 25%
Tỷ lệ mất mát tiết diện cáp dự ứng lực
fpy
1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 1,9 2,0 2,1 2,2
Tỷ lệ mất mát tiết diện Ứng suất cho phép N=1 N=2 N=3 N=4 N=5 N=6
Ứng suất cho phép
-2,0 -1,5 -1,0 -0,5 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0
Tỷ lệ mất mát tiết diện
Ứng suất cho phép
31.41mm
17.23mm
31.41mm
Giới hạn chảy của thép
Trang 4Hình 13 Quan hệ giữa chuyển vị lớn nhất của dầm tại vị trí giữa
nhịp biên và tỷ lệ mất mát tiết diện trong cáp dự ứng lực căng
ngoài
Hình 14 Quan hệ giữa chuyển vị lớn nhất của dầm tại vị trí giữa
nhịp chính và tỷ lệ mất mát tiết diện trong cáp dự ứng lực căng
ngoài
4 Kết luận
Sau khi phân tích ảnh hưởng của việc mất mát tiết diện 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
Dựa vào các kết quả trong nghiên cứu này, ta có thể rút ra các
kết luận chính sau:
+ Trong trường hợp cáp dự ứng lực căng ngoài bị mất mát
tiết diện, vị trí chuyển sang trạng thái chịu kéo sớm nhất của cầu
sẽ là đỉnh trụ Tại vị trí này, khi mất mát ~25% tiết diện cáp dự
ứng lực căng ngoài, bê tông bắt đầu chuyển từ trạng thái chịu
nén sang trạng thái chịu kéo Trong khi đó, bê tông tại các vị trí
khác vẫn chịu nén
+ Ứng suất tiếp trong bê tông tăng không đáng kể khi có mất
mát tiết diện trong cáp dự ứng lực ngoài
+ Mặc dù độ võng lớn nhất của dầm do hoạt tải tăng lên
đáng kể (khoảng 1.5 lần) nhưng vẫn nằm trong độ võng cho
phép (L/1000)
Tuy nhiên, kết quả nghiên cứu trong bài báo này chỉ giới hạn
trong phạm vi cáp căng ngoài Để kết quả mang tính tổng quát
hơn, ta cần tiến hành nghiên cứu mất mát tiết diện trong cáp dự
ứng lực căng trong và nghiên cứu nhiều công trìn cầu cụ thể
hơn
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] KS Phạm Ngọc Hưng, TS Nguyễn Danh Thắng, TS Hồ Thu Hiền, "Ảnh 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," Tạp chí xây dựng - Bộ Xây D ựng, pp 32-35, 2015
[3] 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
[4] Randall Poston, Michael Ahern, Keith Kesner, Sharon Wood and Jinying Zhu, "Current Practice of Assessing Strength and Durability of Grouted Tendons and Cable
Stays," in PTI Convention, Nashville TN, 2012
[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] 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 [9] "Specifications for Highway Bridge," Japan Road Association, 2002, p 26
[10] "Hồ sơ thiết kế kỹ thuật chính thức cầu Sài Gòn," 2013
[11] N D Thang, "Fundamental Study On Structural Damage Detection Vibration Response Of Long Span Suspension Bridge", Dr.E.Thesis, vol 2.2 Damage detection for long
span bridge, Yokohama: Yokohama National University,
2010, pp 21-25
[12] 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
[13] Jeff Pouliotte, "PT Grouting and Corrosion Issues in Florida," FDOT State Structures Maintenance Engineer , State of Florida
[14] 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, 2011
-85
-75
-65
-55
-45
-35
-25
Tỷ lệ mất mát tiết diện cáp dự ứng lực căng ngoài
Lnhịp/1000=82.5mm
-105
-95
-85
-75
-65
-55
-45
-35
-25
-15
Tỷ lệ mất mát tiết diện cáp dự ứng lực căng ngoài
Lnhịp/1000=102.5mm
![Hình 1. Hư hỏng cáp dự ứng lực căng ngoài do ăn mòn [4]. - ẢNH HƯỞNG CỦA MẤT MÁT TIẾT DIỆN CÁP DỰ ỨNG LỰC CĂNG NGOÀI TRONG GIAI ĐOẠN KHAI THÁC ĐẾN KHẢ NĂNG CHỊU TẢI CỦA CẦU DẦM HỘP BÊ TÔNG CỐT THÉP_ThS. Phạm Ngọc Hưng, TS. Nguyễn Danh Thắng, TS. Hồ Thu Hiền](https://123doc.top/img.php?url=https%3A%2F%2F123docz.com%2Fimage%2Fdoc_normal.png)