Nghiên cứu ảnh hưởng của hư hỏng cáp dự ứng lực căng trong do sự giảm yếu tiết diện trong quá trình khai thác đến khả năng chịu tải của cầu dầm hộp bê tông cốt thép thi công theo công nghệ đúc hẫng

ĐẠI HỌC QUỔC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN THỊ VÂN NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA HƯ HỎNG CÁP DỰ ỨNG LỰC CĂNG TRONG DO SỰ GIẢM YẾU TIẾT DIỆN TRONG QUÁ TRÌNH KHAI THÁC ĐẾN KHẢ N

ĐẠI HỌC QUỔC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN THỊ VÂN

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA HƯ HỎNG CÁP DỰ

ỨNG LỰC CĂNG TRONG DO SỰ GIẢM YẾU TIẾT DIỆN

TRONG QUÁ TRÌNH KHAI THÁC ĐẾN KHẢ NĂNG CHỊU

TẢI CỦA CẦU DẦM HỘP BÊ TÔNG CỐT THÉP THI CÔNG

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -ĐHQG -HCM

Cán bộ hưống dẫn khoa học: TS NGUYỄN DANH THẲNG

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

1 Chủ tịch hội đồng: PGS.TS LÊ THỊ BÍCH THỦY

2 Thư ký: TS NGUYỄN CẢNH TUẤN

3 Phản biện 1: TS LÊ BÁ KHÁNH

4 Phản biện 2: TS MAI Lựu

5 ủy viên: TS TRẦN NGUYỄN HOÀNG HÙNG

CHỦ TỊCH HỘI ĐÒNG TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

i

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

I TÊN ĐỀ TÀI: Nghiên cứu ảnh hưởng của hư hỏng cáp dự ứng lực căng trong do

sự giảm yếu tiết diện trong quá trình khai thác đến khả năng chịu tải của cầu dầm hộp bê tông cốt thép thi công theo công nghệ đúc hẫng

II NHIỆM VỤ LUẬN VĂN

Luận văn nghiên cứu ảnh hưởng của hư hỏng cáp dự ứng lực căng trong do sự giảm yếu tiết diện trong quá trình khai thác đến khả năng chịu tải của cầu dầm hộp bê tông cốt thép thi công theo công nghệ đúc hẫng Nhiệm vụ cụ thể:

1 Tìm hiểu những hư hỏng của cáp dự ứng lực trong giai đoạn khai thác

2 Phân tích mức độ ảnh hưởng của mất mát tiết diện cáp dự ứng lực căng trong đến khả năng chịu tải của cầu dầm hộp bê tông cốt thép dự ứng lực thi công theo phương pháp đúc hẫng cân bằng sau nhiều năm khai thác

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

PGS TS NGUYỄN MINH TÂM

ii

LỜI CẢM ƠN

Lời cảm ơn đầu tiên và quan trọng nhất em xin gửi đến Thầy hướng dẫn chính TS Nguyễn Danh Thắng, TS Hồ Thu Hiền, bộ môn cầu Đường, Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng trường Đại Học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh Thầy là người đã đã truyền đạt cho em niềm đam mê nghiên cứu, dạy em rất nhiều kiến thức, và cho em rất nhiều cảm xúc trong học tập Với sự quan tâm, giúp đỡ thường xuyên của Thầy là một động lực rất lớn giúp

em hoàn thành tốt luận văn

Em xin cảm ơn các Thầy Cô giáo trường Đại Học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh nhiệt tình giảng dạy, truyền đạt những kiến thức bổ tích trong thời gian học tập tại trường Cảm ơn gia đình đã luôn động viên, khuyến khích, và tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho tôi trong suốt quá trình học tập và thực hiện đề tài

hộp bê tông cốt thép thi công theo công nghệ đúc hẫng

Cùng với sự phát triển của đất nước, hệ thống cơ sở hạ tầng giao thông cũng được đầu tư và triển khai nhiều dự án để phục vụ cho nhu cầu giao thông vận tải Kết cấu cầu BTCT DUL được xây dựng từ những năm 1977 với kết cấu đơn giản đến phức tạp ngày càng được sử dụng phổ biến Hàng năm chi phí duy tu bảo dưỡng công trình GTVT rất tốn kém Nên ở Việt Nam rất cần các số liệu thống kê thực trạng và hư hỏng của các công trình cầu ở giai đoạn khai thác để cung cấp cho cơ quan quản lý cầu, nhằm kịp thời đưa ra các phương án sửa chữa để giảm chi phí sửa chữa xuống thấp nhất có thể

Vì thế, mục tiêu nghiên cứu trong bài là phân tích mức độ ảnh hưởng của mất mát tiết diện của cáp dự ứng lực căng trong đến khả năng chịu tải của cầu dầm hộp bê tông cốt thép dự ứng lực thi công theo phương pháp đúc hẫng cân bằng sau nhiều năm khai thác Kết quả của nghiên cứu sẽ là tài liệu tham khảo cho cơ quan quản lý cầu sau này

in many types from simple to complex The annual cost of maintenance of infrastructure

is quite expensive It is necessary to gather data of current status and defect of bridges which are under operation, to decide proper on-time remedy plan to reduce the repairing cost as much as possible

Thus, the object of this report is to analysis the effect of cross-section area reduction of internal prestressed tendons during operation process on loading capacity

of cantilever reinforced concrete box girder bridge

V

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn thạc sĩ kỹ thuật “Nghiên cứu ảnh hưởng của hư hỏng cáp dự ứng lực căng trong do sự giảm yếu tiết diện trong quá trình khai thác đến khả năng chịu tải của cầu dầm hộp bê tông cốt thép thi công theo công nghệ đúc hẫng” là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi Các số liệu ưong luận văn là số

vi

MỤC LỤC

CHƯƠNG1: MỞ ĐẦU 1

1.1 Tổng quan 1

1.2 Mục tiêu nghiên cứu 7

1.3 Phạm vỉ nghiên cứu 7

1.4 Phương pháp nghiên cứu 7

CHƯƠNG 2: HƯ HỎNG CỦA CÁP DỰ ỨNG LỰC TRONG GIAI ĐOẠN KHAI THÁC 8

2.1 Đặc điểm chung của kết cấu bê tông cốt thép và kết cấu bê tông cốt thép dự ứng lực 8

2.1.1 Đặc điểm chung của kết cấu bê tông cốt thép 8

2.1.2 Đặc điểm chung của kết cấu bê tông cốt thép dự ứng lực 10

2.2 Các hư hỏng thường gặp và nguyên nhân gây ra hư hỏng của cáp DUL trong giai đoạn khai thác 12

2.3 Phương pháp xác định một số hư hỏng cáp dự ứng lực căng trong 15

2.3.1 Phương pháp phá hủy kết cấu 16

2.3.2 Phương pháp không phá hủy kết cấu 16

2.3.2.1 Xác định vị trí cốt thép 16

a Phương pháp từ tính 17

b Phương pháp rada 18

c Phương pháp siêu âm 19

d Các phương pháp khác 20

2.3.2.2 Xác định vị trí và mức độ nứt, giảm yếu mặt cắt hay đứt gãy cốt thép dự ứng lực 20

vii

chứa cốt thép DƯL và của bê tông bao quanh 21

a Phương pháp IE (impact-echo method): 21

b Phương pháp siêu âm: 23

2.3.2.4 Xác định lực căng trong cốt thép DUL 23

2.4 Một số giải pháp thường sử dụng để sửa chữa và khắc phục hư hỏng.24 CHƯƠNG 3: ẢNH HƯỞNG CỦA HƯ HỎNG CÁP DỰ ỨNG LỰC CĂNG TRONG DO SỰ GIẢM YẾU TIẾT DIỆN TRONG QUÁ TRÌNH KHAI THÁC ĐẾN KHẢ NĂNG CHỊU TẢI CỦA CẦU DẦM HỘP BÊ TÔNG CỐT THÉP THI CÔNG THEO CÔNG NGHỆ ĐÚC HẪNG 28

3.1 Giới thiệu chung 28

3.2 Ảnh hưởng của hư hỏng cáp DUL căng trong do sự giảm yếu tiết diện đến khả năng chịu tải của cầu trong giai đoạn khai thác 29

3.2.1 Một số ảnh hưởng của hư hỏng cáp dự ứng lực căng trong đến công trình 29

3.2.2 Mối quan hệ giữa mất mát tiết diện cáp DUL với ứng suất và biến dạng của kết cấu 31

3.2.2.1 Mối quan hệ giữa mất mát tiết diện cáp DUL với ứng suất 31

3.2.2.2 Mối quan hệ giữa mất mát tiết diện cáp DUL với biến dạng 33

3.3 Xây dựng mô hình cầu dầm hộp đúc hẫng bằng phương pháp phần tử hữu hạn 34

3.3.1 Giới thiệu chung về phương pháp phần tử hữu hạn 34

3.3.2 Mô hình hình học cầu bằng Midas/Civil 38

3.3.2.1 Giới thiệu chung 38

3.3.2.2 Các thông số ban đầu của mô hình 41

3.3.2.3 Vật liệu 41

3.3.2.4 Mặt cắt kết cấu 43

3.3.2.5 Mô hình cầu 46

viii

3.3.2.6 Tải trọng 47

a Trọng lượng bản thân 47

b Tải trọng dự ứng lực 48

c Tải trọng thi công 52

d Hoạt tải 52

3.3.2.7 Điều kiện biên 53

3.3.2.8 Kiểm toán kết cấu 54

3.4 Phân tích ảnh hưởng của mất mát tiết diện cáp dự lực căng trong tác động đến cồng trình 56

3.4.1 Giả thiết hư hỏng 56

3.4.2 Các trường hợp phân tích hư hỏng được lựa chọn 57

3.4.3 Kết quả nghiên cứu mất mát tiết diện cáp dự ứng lực căng trong 63

3.4.3.1 Kết quả trường hợp mất mát tiết diện Nhóm 1 63

3.4.3.2 Kết quả trường hợp mất mát tiết diện Nhóm 2 68

3.4.3.3 Kết quả trường hợp mất mát tiết diện Nhóm 3 70

3.4.3.4 Kết quả trường hợp mất mát tiết diện Nhóm 4 73

3.4.3.5 Kết quả trường hợp mất mát tiết diện Nhóm 5 76

3.4.3.6 Kết quả trường hợp mất mát tiết diện Nhóm 6 79

3.4.3.7 Kết quả trường hợp mất mát tiết diện Nhóm 7 82

3.4.3.8 Kết quả trường hợp mất mát tiết diện Nhóm 8 85

3.4.3.9 Kết quả trường hợp mất mát tiết diện Nhóm 9 88

3.4.3.10 Kết quả trường hợp mất mát tiết diện Nhóm 10 91

3.4.3.11 Tổng hợp kết quả nghiên cứu 94

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 102

4.1 Kết luận 102

4.2 Kiến nghị 103

ix

TÀI LIỆU THAM KHẢO 104

V

DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

a - hệ số dãn nở dài vì nhiệt (microstrains/ °C)

fs - ứng suất trong cốt thép chịu kéo

Fi - lực căng trong cáp dự ứng lực (KN)

M - mô men tính toán do tải trọng ngoài

y - khoảng cách từ trục trung hòa đến điểm tính ứng suất

I - mô men quán tính của tiết diện BTCT

Ic - mô men quán tính của bê tông

Is - mô men quán tính của cáp

K - là ma trận độ cứng của kết cấu, được xây dựng từ ma trận độ cứng của các phần tử;

D - ma trận chuyển vị nút cần tìm

R - ma trận ngoại lực nút

- giới hạn chuyển vị nhịp biên

- giới hạn chuyển vị nhịp chính

12

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.5 Cầu đường sắt vượt sông Sài Gòn thi công theo phương pháp đúc hẫng cân

Hình 3.3 Bố trí chung cầu

39

13

Hình 3.11 Mặt cắt ngang Trụ46

Hình 3.12 Mô hình cầu dầm hộp thi công theo phương pháp đúc hẫng cân bằng 46 Hình

Hình 3.18 Bố trí cáp dự ứng lực tại mặt cắt giữa nhịp biên và giữ nhịp chính 57 Hình

và chi phí duy tu bảo dưỡng khi sử dụng

Cầu đóng vai trò quan trọng trong hệ thống giao thông đô thị, ngoài phục vụ nhu cầu đi lại của các phương tiện, mỗi cây cầu còn mang một ý nghĩa lịch sử, văn hóa của mỗi địa phương Nên tại các quốc gia phát triển và đang phát triển có hệ thống giao thông vận tải cầu phát triển rất quan tâm và chú trọng tới việc thông kê

2

và phát hiện các hư hỏng của công trình cầu để phục vụ cho công tác duy tu bảo dưỡng

và sửa chữa các hư hỏng trong giai đoạn khai thác của từng công trình cầu Như ở nước

Mỹ theo thống kê năm 2016 trong [1] có 614.387 cây cầu, trong đó cỏ 9,1% cây cầu bị xuống cáp và số lượng các cây càu xuống cấp ngày một tăng lên theo thời gian Ở Mỹ

số lượng cầu cũ chiếm số lượng lớn trong tồng số cầu của quốc gia, cầu có tuổi khai thác trên 50 năm chiếm 39%, từ 40-49 năm chiếm 15% ( Hình 1.1)

ĩuói Cõng Trĩnh Cãu ớ Mỹ

Hình 1.1 Tuổi công trình cầu ở Mỹ [1]

Hàng năm, Mỹ đã chỉ ngân sách cho công tác duy tu bảo dưỡng cầu xuống cấp rất lớn và tăng lên theo thời gian, ước lính chỉ phí mất 11,5 tỷ đô la năm 2006, chi phí này cao nhất vào năm 2010 lên đến 18 tỷ đô la Với chi phí sửa chữa cầu đắt đỏ như thế việc ứng dụng các công nghệ mới nhằm nâng cao thuổi thọ của công trình cầu được chú ưọng, hệ thống cảm biển cầu được sử dụng, giúp cho các kỹ sư cố số liệu liên tục và chính xác về cầu để sớm có các giải pháp đảm bảo an toàn cho

Tuổi Cầu

0-?

3

cầu nhằm giảm chỉ phí duy tu bảo dưỡng Từ đỗ tỷ lệ xuống cấp của cầu giảm đỉ đáng

kể theo thời gian (Hình 1.2)

Hình 1.2 Tình trạng xuống cấp công trình cầu ờ Mỹ [1]

Ở Việt Nam, cầu BTCT DƯL bắt đầu được đưa vào sử dụng từ những năm 1970

Từ đó, cùng với sự phát triển của đất nước, hệ thống cơ sở hạ tầng giao thông cũng được đầu tư và triển khai nhiều dự án để phục vụ cho nhu cầu giao thông vận tảỉ Kết cấu cầu BTCT DUL từ đơn giản đến phức tạp ngày càng được sử dụng phổ biến Trong đó, công nghệ đúc hẫng cân bằng đã được Việt Nam làm chủ và áp dụng rộng rãi trong nhiều dự

án cầu đường lớn nhỏ khác nhau Tại hội thảo “Giao thông đô thị - công nghệ và kinh nghiệm của Pháp”, các chuyên gia đánh giá với tốc độ đô thị hốa nhanh và các yếu tố thuận lợi khấc, Việt Nam cần phát triền hệ thống đường sắt đô thị, và mục tiêu đặt ra đến năm 2Ỡ2Ỡ là ngành đường sắt phải đáp ứng 13% vận tải hành khách và 14% vận tải hàng hóa Vì thế vái sự phát triển của đường sắt đô thị sử dụng tàu chạy trên cao, với địa hình sông ngòi cũng như hệ thống giao thông hiện hữu, thì việc áp dụng cầu BTCT

dự ứng lực theo phương pháp đúc hẫng sẽ cho phép vượt nhịp lớn qua sông, qua các vị trí nút giao mà vẫn đảm bảo khổ thông thuyền và hạn chế được việc cản trở sự lưu thông của các dòng xe Đặc biệt là các tuyến đường sắt đô thị tại các thành phố Hồ Chí Minh

và thành phố Hà Nội, kết cáu bê tông cốt thép dự ứng lực được sử dụng rộng rãi vì giảm

CÒDg Trinh cầu xuống cap

Cấu xuống cảp

theữvùạg

4

được tiếng ồn do tàu chạy và hiệu quả kinh tế hơn so vối kết cấu thép Tại thành phố Hồ Chí minh tuyến Metro số 1 Bến Thành - Suối tiên với 17,1 km đi trên cao có 9 cầu bê tông cốt thép dự ứng lực 3 nhịp liên tục (Hình 1.5) Do chi phí xây dựng lớn và tầm quan trọng của tuyến Metro này đối vối hệ thống cơ sở hạ tầng của thành phố nên vấn

đề quản lý khai thác cần được quan tâm ngay từ giai đoạn ban đầu của quá trình xây dựng

Hình 1.3 Bản đà các tuyến Metro tại thành phố Hồ Chí Minh (Nguồn

https://vi.wỉkipedỉa.org)

Theo Helmut Wenzel [2], khỉ kết cấu hư hỏng tức là tính chất của vật liệu hay

sự thay đổi khác thường về hình dáng của kết cấu; chẳng hạn như sụ thay đổi về điều kiện biên, độ võng, nứt vỡ hoặc sự liên kết giữa các phần tử trong kết cấu, Trong công tác kiểm định cầu, bên cạnh những hư hỏng được phát hiện bằng mắt thường, người kỹ

sư còn tiến hành đo đạc các thông số như chuyển vị, dao động, và biến dạng của các phần tử trong kết cấu Dựa trên các số liệu đo đạc và dữ liệu ban đầu của cầu, người quản lý cầu sẽ đưa các thông số đó vào mô hình phần tử hữu hạn (FEM) để phân tích, sau đó so sánh với dữ liệu ban đầu của cầu trước khi có hư hỏng để đánh giá ảnh hưởng của hư hỏng đến khả năng chịu tải, thời gian phục vụ khai thác của cầu và đưa ra các biện pháp sữa chữa khi cần thiết Theo thời gian sử dụng, do các yếu tố chủ quan hay

5

khách quan mà cốt thép trong kết cấu có thể bị hư hỏng, khi có hư hỏng xảy ra đối với

thép dự ứng lực, mức độ nguy hiểm sẽ cao hơn so với hư hỏng của thép thường

Theo thống kê của tổng cục đường bộ Việt Nam [3] ngân sách duy tu bảo dưỡng

công trình cầu hàng năm rất cao, đỉnh điểm đạt gần 3500 nghìn tỷ VND năm 2011 (Hình

1.4) Vì vậy, đối với công tác quản lý cầu, việc phải phân tích và đánh giá những hư

hỏng trong kết cấu bê tông cốt thép dự ứng lực là rất quan trọng nhằm đảm bảo an toàn

khai thác trong thời gian sử dụng Việc mô phỏng trước các hư hỏng thường gặp trong

cầu bê tông cốt thép dự ứng lực sẽ giúp cho việc xây dựng cơ sở dữ liệu để đánh giá tình

trạng khai thác của cầu Từ đó, với số lượng công trình càng nhiều, công tác kiểm định

sẽ được thực hiện nhanh hơn và tiết kiệm chi phí Qua đó, để đem lại hiệu quả khai thác

lâu dài, cần có các nghiên cứu dự đoán trước về ảnh hưởng của hư hỏng cáp dự ứng lực

đến chịu tải của công trình Như vậy, từ kết quả nghiên cứu, kỹ sư có thể thành lập được

kho dữ liệu các hư hỏng thường gặp của công trình; từ đó sẽ tiết kiệm được thời gian

cũng như chi phí duy tu, sửa chữa khi xảy ra các hư hỏng thường gặp

6

Hình 1.4 Biểu đồ ngân sách bảo tri GTVT Việt Nam [2]

Tóm lại, đối vái cầu bê tông bê tông cốt thép DUL, khả năng chịu tải của cầu chủ yếu phụ thuộc vào cáp DUL; do đó hư hỏng do mất mát tiết diện cáp DUL của cáp căng trong được xem là hư hỏng và cần phải được đánh giả mức độ ảnh hưởng đến khả năng chịu tải của kết cấu

Hình 1.5 Cầu đường sắt vượt sông Sài Gòn thỉ công theo phương pháp đúc

hẫng cân bằng 1.2 Mục tiêu nghiên cứu

Từ những báo cáo thường niên ửong [1, 2] cho thấy chi phí duy tu bảo dưỡng đối với các công trình giao thông vận tải là rất tốn kém Nên ở Việt Nam rất cần các số liệu thống kê thực trạng và hư hỏng của các công trình cầu ở giai đoạn khai thác để cung

7

cấp cho cơ quan quản lý cầu, nhằm kịp thời đưa ra các phương án sửa chữa để giảm chi phí sửa chữa xuống thấp nhất có thể Vì thế, mục tiêu nghiên cứu trong bài là phân tích mức độ ảnh hưởng của mất mát tiết diện của cáp dự ứng lực căng trong đến khả năng chịu tải của cầu dầm hộp bê tông cốt thép dự ứng lực thi công theo phương pháp đúc hẫng cân bằng sau nhiều năm khai thác Kết quả của nghiên cứu sẽ là tài liệu tham khảo cho cơ quan quản lý cầu sau này

1.3 Phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu này tập trung vào việc đánh giá khả năng chịu tải của cầu dầm hộp liên tục bằng bê tông cốt thép dự ứng lực căng trong trong quá trình khai thác, và trong nghiên cứu này lấy ví dụ điển hình là cầu đường sắt vượt sông Sài Gòn thuộc tuyến Metro số 1 Bến Thành - Suối Tiên có sơ đồ nhịp là 82.5+102.5+82.5 m, thông qua ứng suất trong bêtông và chuyển vị của cầu khi mất mát tiết diện cáp dự ứng lực căng trong trong quá trình khai thác

1.4 Phương pháp nghiên cứu

Đe thực hiện mục tiều trên, nghiên cứu đi thu thập, tổng hợp và phân tích tài liệu

về ảnh hưởng của hư hỏng cáp dự ứng lực căng trong do sự giảm yếu đến khả năng chịu tải của cầu trong giai đoạn khai thác

Sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn đánh giá khả năng khai thác của cầu dầm hộp thi công theo phương pháp đúc hẫng cân bằng Trong nghiên cứu này, sử dụng phần mềm tính toán kết cấu MIDAS/CIVIL để mô hình tính toán kết cấu cầu bê tông có sử dụng cáp dự ứng lực căng trong và cáp dự ứng lực căng ngoài, từ đó rút ra một số kết luận liên quan

8

CHƯƠNG 2

HƯ HỎNG CỦA CÁP DỰ ỨNG LỰC

TRONG GIAI ĐOẠN KHAI THÁC

2.1 Đặc điểm chung của kết cấu bê tông cốt thép và kết cấu bê tông cốt thép dự ứng lực

2.1.1 Đặc điểm chung của kết cấu bê tông cốt thép

Kết cấu tông cốt thép là một loại vật liệu xây dựng hỗn hợp do hai vật liệu thành phần có tính chất cơ học khác nhau là bê tông và thép cùng cộng tác chịu lực với nhau một cách hợp lý và kinh tế Bê tông là một loại đá nhân tạo thành phần bao gồm cốt liệu (cát, đá) và chất kết dính (ximăng, nước ) Bê tông có khả năng chịu nén tốt, khả năng chịu kéo rất kém Thép là vật liệu chịu kéo hoặc chịu nén đều tốt Do vậy người ta thường đặt cốt thép vào trong bê tông để tăng cường khả năng chịu lực cho kết cấu từ

đó tạo ra bê tông cốt thép Đe thấy được sự cộng tác chịu lực giữa bê tông và cốt thép xem thí nghiệm :

- Uốn một dầm bê tông như (Hình 2.1), trên dầm chia thành hai vùng rõ rệt là vùng kéo và vùng nén Khi ứng suất kéo trong bê tông fc vượt quá cường độ chịu kéo

9

của bê tông thì vết nứt sẽ xuất hiện, vết nứt đi dần lên phía trên và dầm bị gãy khi ứng suất trong bê tông vùng nén còn khá nhỏ so với cường độ chịu nén của bê

10

tông Dầm bê tông chưa khai thác hết được khả năng chịu nén tốt của bê tông, khả năng chịu mô men của dầm nhỏ

Hình 2.1 Thí nghiệm uốn dầm bê tông

- Với một dầm như trên được đặt một lượng cốt thép hợp lý vào vùng bê tông chịu kéo (Hình 2.2)

Hình 2.2 Thí nghiệm uốn dầm BTCT

Khi ứng suất kéo fc vượt quá cường độ chịu kéo của bê tông thì vết nứt cũng sẽ xuất hiện Nhưng lúc này dầm chưa bị phá hoại, tại tiết diện cố vết nứt lực kéo hoàn toàn do cốt thép chịu, chính vì vậy ta có thể tăng tải trọng cho tới khỉ ứng suất trong cốt thép đạt tới giới hạn chảy hoặc bê tông vùng nén bị nén vỡ Dầm BTCT khai thác hết khả năng chịu nén tốt của bê tông và khả năng chịu kéo tốt của thép Nhờ vậy khả năng chịu mô men hay sức kháng uốn lớn hơn hàng chục lần so với dầm bê tông cố cùng kích thước, cốt thép chịu chịu kéo và nén đều tốt nên nó còn được đặt vào trong các cấu kiện chịu kéo, chịu nén, cấu kiện chịu uốn xoắn để tăng khả năng chịu lực giảm kích thước

bề rộng vết nứt trong vùng kéo mới được hạn chế Do vậy, người ta phải tìm mọi cách

để tăng cường lực dính bám giữa bê tông và cốt thép

4- Giữa bê tông và cốt thép không xảy ra phản ứng hoá học, bê tông còn bảo vệ cho cốt thép chống lại tác dụng ăn mòn của môi trường

4- Hệ số giãn nở dài vì nhiệt của bê tông và cốt thép là xấp xì bằng nhau (Bê tông : a = 8 - 12 microstrains/ °C , cốt thép : a = 11 microstrains/ °C)

2.1.2 Đặc điểm chung của kết cấu bê tông cốt thép dự ứng lực

Khỉ sử dụng BTCT thường người ta thấy xuất hiện các nhược điểm :

- Nứt sớm, giới hạn chống nứt thấp

Hình 2.3 BTCT DUL

- Không cho phép sử dụng hợp lý cốt thép cường độ cao Khi ứng suất ửong cốt thép chịu kéo fs = 20-30 MPa các khe nứt đầu tiên ửong bê tông sẽ xuất hiện Khi dùng thép cường độ cao ứng suất trong cốt thép chịu kéo có thể đạt 1000-1200 MPa hoặc lớn hơn điều đó làm xuất hiện các khe nứt rất lớn vượt quá trị số giới hạn cho phép Để khắc phục hai nhược điểm trên người ta đưa ra kết cấu BTCT dự ứng lực (BTCT DƯL) Hai

12

nhược điểm trên đều xuất phát từ khả năng chịu kéo kém của bê tông Trước khi kết cấu BTCT chịu lực người ta tạo ra ửong cấu kiện một trạng thái ứng suất ban đầu ngược với trạng thái ứng suất khi chịu tải

Kết cấu dự ứng lực là loại kết cấu mà khi chế tạo chúng người ta tạo ra một hạng thái ứng suất ban đầu ngược với trạng thái ứng suất do tải họng khi sử dụng nhằm mục đích hạn chế các yếu tố có hại đến khả năng chịu lực của kết cấu do tính chất chịu lực kém của vật liệu, ứng suất trong cấu kiện BTCT dự ứng lực với bê tông cốt thép, chủ yếu người ta tạo ra ứng suất nén trước cho những vùng của tiết diện mà sau này dưới tác dụng của tải trọng khi sử dụng sẽ phát sinh ứng suất kéo ứng suất nén trước này có tác dụng làm giảm hoặc triệt tiêu ứng suất kéo do tải trọng sử dụng sinh ra Nhờ vậy mà vết nứt trên cấu kiện nhỏ hoặc không có vết nứt Ưu điểm của kết cấu BTCT DƯL so với BTCT hay tác dụng chính của dự ứng lực:

- Nâng cao giới hạn chống nứt do đó có tính chống thấm cao

- Cho phép sử dụng hợp lý cốt thép cường độ cao, bê tông cường độ cao

- Độ cứng tăng lên nên độ võng giảm, vượt được nhịp lớn hơn so với BTCT thường

- Chịu tải đổi dấu tốt hơn nên sức kháng mỏi tốt

- Nhờ có ứng suất trước mà phạm vi sử dụng của kết cấu bê tông cốt thép lắp ghép, phân đoạn mở rộng ra nhiều Người ta có thể sử dụng biện pháp ứng lực trước để nối các cấu kiện đúc sẵn của một kết cấu lại với nhau Nhược điểm của kết cấu BTCT DƯL so với BTCT thường:

- ứng lực trước không những gây ra ứng suất nén mà còn có thể gây ra ứng suất kéo ở phía đối diện làm cho bê tông có thể bị nứt

- Chế tạo phức tạp hơn yêu cầu kiểm soát chặt chẽ về kỹ thuật để có thể đạt chất luợng nhu thiết kế đề ra

2.2 Các hư hỏng thường gặp và nguyên nhân gây ra hư hỏng của cáp DUL trong giai đoạn khai thác

Ket cấu BTCT DUL khi đưa vào khai thác sử dụng sau một thời gian thường sẽ xảy ra những hư hỏng liên quan đến thép dự ứng lực Trong khi đó kết cấu BTCT DUL

14

Hình 2.4 Hư hỏng của kết cấu bê tông cất thép dự ứng lực [2]

Quá trình thủy hóa xỉ măng tạo môi trường kiềm xung quanh cốt thép, từ đó cốt

thép được bảo vệ hoàn toàn khỏi các tác nhân gây ăn mòn Tuy nhiên, quả trình carbonat

hoá [Hình 2.5] lại trung hòa môỉ trường kiềm xung quanh cốt thép, từ đó cốt thép mất

đỉ lớp bảo vệ tự nhiên và bắt đầu bị ăn mòn Khỉ bị gỉ, thép trương nở thể tích gây ra nứt

tại vị trí tiếp giáp với bê tông, vết nứt phát triển dần dưới sự tấn công của cảc tảc nhân

ăn mòn cho đến khỉ phá vỡ hoàn toàn sự kết dính giữa bê tông và cốt thép

15

Hình 2.5 Hư hỏng cáp dự ứng lực do cacbonat hóa bê tông [3]

Bên cạnh đó, khi kết cấu được xây dựng trong môi trường có tính ăn mòn cao

như môi trường có độ ẩm [Hình 2.6] hay nồng độ muối cao [Hình 2.7], Sự xâm nhập

của tác nhân gây ăn mòn qua lớp bảo vệ làm cốt thép bị ăn mòn dần gây suy giảm tiết

diện và dẫn đến đứt cốt thép Từ đó, gỉ 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 2.6 Hư hỏng cáp dự ứng lực do không khí âm [3]

16

Ngoài ra, cốt thép DƯL còn bị hư hỏng từ các yếu tố khách quan do lỗi trong quá trình thi công lớp vữa bảo vệ cáp không đạt chất lượng

Hình 2.8 Hư hỏng cáp dự ứng lực đầu neo [3]

2.3 Phương pháp xác định một số hư hỏng cáp dự ứng lực căng trong

Kết cấu bê tông cốt thép DUL là một kết cấu được cấu thành từ haỉ vật liệu bê tông và cốt thép cường độ cao, trong đỏ bê tông chịu nén tốt và cốt thép chịu kéo tốt sẽ kết hợp với nhau để tạo thành một kết cấu chịu lực tốt Sự hư hỏng của yếu tố nào trong kết cấu cũng ảnh hường đến khả năng chịu lục của công trình Cáp DUL là thành phần chịu tải chủ yếu của kết cấu cầu, nên sự giảm yếu hay hư hỏng của nó

lại càng ảnh hưởng đến công trình hơn Do đó, việc xác định các hư hỏng của cáp DUL

17

là việc hết sức cần thiết, nó giúp đánh giá tình trạng làm việc và khả năng chịu tải của công trình và cũng là một công cụ để hướng dẫn và hỗ trợ bảo dưỡng cầu trong suốt vòng đời của nó [5],

Để xác định các hư hỏng của cáp dự ứng lực căng trong, các phương pháp thường được sử dụng là:

2.3.1 Phương pháp phá hủy kết cấu

Phương pháp phá hủy kết cấu như là đục phần bê tông bị nứt xung quanh khu vực thép gỉ, khoan lấy lõi bê tông, Phương pháp này có nhược điểm như phức tạp, gây giảm yếu tiết diện, thậm chí còn có thể dẫn đến các hư hỏng khác, nên được dùng khá hạn chế

2.3.2 Phương pháp không phá hủy kết cấu

Phương pháp không phá hủy kết cấu để đánh giá tình trạng cốt thép dự ứng lực

có một số nhược điểm như khó phát hiện bằng mắt thường, máy móc cần có độ chính xác cao và tốn kém Tuy nhiên phương pháp này không làm giảm yếu tiết diện của kết cấu nên phù hợp với việc áp dụng kiểm tra các cầu mới, tiêu biểu như:

- Phương pháp điện Half-cell [5]: để phát hiện khả năng ăn mòn cốt thép

- Phương pháp từ tính: xác định lực căng trong cốt thép DUL để xác định sự thay đổi của lực căng trong cáp theo thời gian sử dụng [6]

- Phương pháp từ tính, phương pháp radar và phương pháp siêu âm: xác định

vị trí cốt thép DUL từ đó biết được sự lắp đặt sai vị trí cốt thép

- Phương pháp từ dư (Remanent magnetic method) : xác định mức độ giảm yếu mặt cắt hay đứt gãy cốt thép DUL [7, 8]

2.3.2.1 Xác định vị trí cốt thép

Hiện nay để xác định vị trí cốt thép DUL thường có chủ yếu ba phương pháp: phương pháp từ tính, phương pháp radar và phương pháp siêu âm

a, Phương pháp từ tỉnh

Phương pháp từ tính (magneticmeasure method) từ lâu nay đã được dùng khá

phổ biến để xác định vị trí cốt thép thường và bề dày lớp bê tông bảo vệ Nguyên lý của phương pháp này dựa trên tính chất nhiễm từ của cốt thép Nếu di chuyển đầu kiểm ưa

18

cố nam châm trên bề mặt bê tông (Hình 2.9) thì dựa trên sự thay đồi tậ số lực hút giữa nam châm và cốt thép có thể ước lượng vị trí cốt thệp, tức tại điểm lực hút mạnh nhất Căn cứ trị số lực hút, kích cỡ và từ tính của cốt thép có thể chẩn đoán bề dày lớp bê tông bảo vệ Theo nguyên lý này thì vị trí cốt thép DUL cũng cỗ thể được xác đỉnh Hầu hết máy đo bằng phương pháp này khá gọn nhẹ, kể cả máy tính xách tay để xử lý kết quả,

dễ thao tác ưong điều kiện hiện trường

Theo [9], việc xác định vị trí các thanh cốt thép đơn lẻ chỉ tin cậy khi khoảng cách các thanh cốt thép không nhỏ hơn khoảng cách từ cốt thép đến máy đo, tức là đến

bề mặt bê tông, và số lớp cốt thép không nhiều hơn 2 Trên thực tế, phương pháp từ tính chỉ phù hợp cho việc ước đoán sơ bộ vị trí cốt thép thường cũng như cốt thép DUL khỉ các điều kiện trên thoả mãn Chỉ dẫn về áp dụng một số loại máy thông dụng cũng được trình bày khá chi tiết ưong [9]

Hình 2.9 Phương pháp từ tính xác định vị trí cất thép [7]

b Phương pháp rada

Phương pháp radar đã được ứng dụng thành công từ lâu trong ngành địa vật lý,

và gần đây được nghiên cứu nhằm mục đích xác định vị trí cốt thép DUL căng sau [10], Nguyên lý của phương pháp là dùng một nguồn sóng điện từ có tần số cao (500 MHz đến 2,5 GHz) phát từ một anten vào khu vực kết cấu cần nghiên cứu (Hình 2.10 ) Những sóng điện từ này sẽ bị phản xạ trở lại một phần tại những vị trí thay đổi hằng số điện môi (g), tức là đặc biệt mạnh tại bề mặt tiếp xúc giữa bê tông với kim loại Lượng sóng

19

phản xạ và lượng sóng xuyên qua kết cấu cũng như thời gian truyền sóng có thể đo được bằng một đầu thu Việc phát hiện cốt thép DUL nằm sau cốt thép thường có thể thực hiện được do cốt thép DƯL hay ống chứa cốt thép bằng kim loại thường có kích thước lớn hơn nhiều so với cốt thép thường và sự phản xạ sóng ở đó xảy ra mạnh hơn hẳn so với tại các vị trí cốt thép thường Một nghiên cứu cải tiến kết hợp phương pháp radar với đầu tìm cốt thép thường cho phép phân biệt tốt hơn cốt thép thường và cốt thép DƯL [11] Người ta có thể bố trí đầu thu trên cùng một anten với đầu phát như (Hình 2.10) Căn cứ cường độ, thời gian truyền sóng phản xạ đo được và tốc độ truyền sóng trong môi trường bê tông đã biết có thể xác định được vị trí và độ sâu của cốt thép DƯL

Đầu thu cũng có thể được đặt ở bề mặt bê tông đối diện với anten phát sóng Trong trường hợp này, vị trí cốt thép DƯL có thể được xác định thông qua việc so sánh cường độ sóng xuyên qua kết cấu và cường độ sóng phát ra Thực tế áp dụng phương pháp radar vào nhiều công trình cầu đã chứng tỏ đây là một phương pháp rất có triển vọng trong việc xác định hư hỏng cáp dự ứng lực trong kết cấu [9,10] Tại thời điểm hiện nay, có thể xác định một cách tin cậy vị trí cốt thép DUL nằm cách bề mặt bê tông

30 - 40 cm và sau 2 lớp cốt thép thường Với phương pháp đo sóng phản xạ dùng các anten thông thường có thể xác định được vị trí và độ sâu cốt thép DUL khi khoảng cách cốt thép thường lớn hơn 10 cm Phương pháp bố trí đầu thu ở mặt bê tông đối diện cho phép xác định vị trí cốt thép DUL khi khoảng cách cốt thép thường không nhỏ hơn 5

cm, tuy nhiên khoảng cách của cốt thép DUL tới bề mặt bê tông thì không thể chẩn đoán được [10] Phương pháp radar cho phép vận hành thiết bị khá đơn giản, tuy nhiên yêu cầu nhiều kỉnh nghiệm của người sử dụng trong việc đánh giá các yếu tố ảnh hưởng và phân tích kết quả

20

Hình 2.10 Phương pháp rada xác định vị trí cốt thép [8]

c Phương pháp siêu âm

Phương pháp siêu âm (ultrasonic method): cũng là một khả năng tốt để chẩn

đoán vị trí của cốt thép DUL, chỉ đứng sau phương pháp radar [10] Với phương pháp này, một luồng sóng cơ học có tần số cao (siêu âm) được phát ra từ một thiết bị vào bê tông tại một đầu đo Tại những nơi thay đổi cấu trúc vật liệu như vị trí cốt thép, rãnh chứa cốt thép DUL, khoảng rỗng hay bề mặt bê tông những sống này sẽ bị phản xạ trở lại đầu đo Mức độ và thời gian phản xạ sẽ được phân tích để dự đoán các vị trí nối trên Nếu di chuyển đầu đo theo một trình tự hợp lý sẽ xảc định được vị trí cốt thép DƯL Các kết quả nghiên cứu thử nghiệm mới đây cho thấy phương pháp này có thể xác định khá chính xác vị trí cũng như độ sâu của ống chứa cốt thép DUL cách bề mặt bê tông tối 35 cm [10] Phương pháp siêu âm còn rất hữu hiệu trong việc kiểm fra chất lượng vữa lấp ống chứa cốt thép DUL và bê tông bao quanh

d Các phương pháp khác

Ngoài các phương pháp thông dụng trên còn có các phương pháp sau:

- Phương pháp cảm ứng nhiệt (inductive thermography hay infrared thermography)

Phương pháp dùng tia roentgen hoặc tia gamma [ 14]

- Phương pháp cảm ứng nhiệt phức tạp về thiết bị để làm nóng cốt thép và đo

21

mức độ toả nhiệt Trong trường hợp cốt thép DUL nằm rất sâu ưong bê tông hay dưới các lớp cốt thép thường dày thì phương pháp chiếu tia roentgen hoặc tia gamma là khả năng duy nhất để tìm vị trí cốt thép DUL Tuy nhiên phương pháp này, một mặt đòi hỏi đo trên 2 bề mặt đối diện của bê tông, mặt khắc đòi hỏi biện pháp phức tạp để đảm bảo an toàn cho người thao tác nên chỉ được dùng trong những trường hợp đặc biệt

2.3.2.2Xác định vị trí và mức độ nứt, giảm yếu mặt cắt hay đứt gãy cốt thép dự ứng lực

Việc xác định vị trí và mức độ nứt, giảm yếu mặt cắt hay đứt gẫy cốt thép DƯL

hiện nay có thể thực hiện được một cách khá tin cậy bằng phương pháp từ dư (remanent

magnetic method) Nguyên lý của phương pháp dựa trên đặc tính nhiễm từ của cốt thép

(Hình 2.11) cốt thép DUL trước hết được từ hoá đến bão hoà bằng nam châm điện đặt trên bề mặt bề tông dọc theo chiều dài cốt thép Sau khi bị từ hoá, cốt thép DUL tác dụng như một thanh nam châm Tại vị trí nứt hoặc đứt gãy, xảy ra sự phân tán từ trường

mà với một máy đo có thể nhận biết được Tại điểm đứt cốt thép tồn tại 2 cực nam châm ttái dấu và sự phân tán từ trường xảy ra mạnh nhất Việc từ hoá cũng như đo kết quả có thể thực hiện ở mặt bên, phía dưới hay phía trên kết cấu

Khó khăn của phương pháp này là tín hiệu đo bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, như sự có mặt của cốt thép thường, bề dày của lớp bê tông bên ngoài cốt thép, chủng loại, cấu tạo của cốt thép DUL và bố trí các bó sợi trên mặt cắt Riêng tác dụng gây nhiễu của cốt thép thường có thể khắc phục bằng một quy trình từ hoá hợp lý Cho đến nay, phương pháp từ dư được thử nghiệm rất thành công và được áp dụng rộng rãi để chẩn đoán vị trí và mức độ nứt hay đứt gẫy cốt thép DƯL nằm cách bề mặt bê tông đến

30 cm [7, 8]

Đièm đút còt thép

ữ Phương pháp IE (impact-echo method):

Ở Việt Nam phương pháp này thường được sử dụng trong việc kiểm tra chất lượng cọc khoan nhồi Với một va chạm tác động lên bề mặt bê tông, một luồng chấn động (sống cơ học) được truyền vào kết cấu (Hình 2.12) Những sóng chấn động này sẽ

bị phản xạ một phần trở lại tại những vị trí thay đổi cấu trúc vật liệu, như tại vị trí cốt thép, ống chứa cốt thép DƯL, vết nứt Tại nơi tiếp giáp giữa bê tông và không khí, giữa bê tông và đất nền, hay tại vị frí lỗ hổng thì các sóng này bị phản xạ gần như hoàn toàn Với một năng lượng chấn động đủ lớn, các sóng này sẽ di chuyển giữa các bề mặt phản xạ nhiều lần và yếu dần do tổn hao năng lượng Các tín hiệu phản xạ có thể thu nhận được bời một đầu thu

Thông qua việc phân tích các tín hiệu phản xạ thu được có thể chẩn đoán được

bề dày kết cấu, vị trí của lỗ hổng, tình trạng nứt hay vùng kém chặt chẽ của vữa hay bê tông Để phát hiện khoảng trống hay khu vực kém chặt chẽ của vữa lấp lòng ống chứa cốt thép DƯL của hoặc bê tông bao quanh nên chọn vị trí thử tại bề mặt bê tông ngay trên cốt thép DƯL Thực tế cho thấy, phương pháp IE mặc dù có nhiều triển vọng nhưng không đơn giản, nhất là ở khâu ghi nhận tín hiệu và phân tích kết quả đo, đòi hỏi nhiều kinh nghiệm từ người sử dụng Phương pháp cũng bị ảnh hưởng nhiều bởi điều kiện hiện trường vì nó đòi hỏi có một bề mặt thuận tiện để gây chấn động và đo chấn động phản xạ, trong khi vị trí như vậy nhiều khi không thể đạt được vì nó phụ thuộc vào vị trí

23

cốt thép DƯL cần kiểm tra Thời tiết cũng như môi trường xung quanh cũng ảnh đáng

kể đến kết quả đo Bất kỳ một chấn động nào, chẳng hạn của máy móc hay phương tiện giao thông, đều làm cho kết quả đo không còn được tín cậy Vì vậy, đối với công trình cầu thì phương pháp này chỉ phù hợp cho kiểm tra trong giai đoạn xây dựng

Trên thực tế hiện nay, phương pháp này cần kết hợp với việc khoan bê tông, mở ống chứa cốt thép DUL để khẳng định kết quả [3], Việc khoan mở cũng đồng thời phục

vụ việc phun vữa bổ sung để khắc phục khoảng trống hay xốp Các công trình nghiên cứu hiện nay phần lớn tập trung vào việc nâng cao độ tin cậy của kết quả đo tín hiệu cũng như phân tích các kết quả đó [14],