THƯ tải cầu ĐƯỜNG CAO tốc

Bài báo trình bày xác minh về ứng xử kết cấu của cầu dưới tải trọng tĩnh so với mô hình dự đoán cho cả kết cấu ứng suất trước đúc sẵn.. Việc đo cầu bên phải và bên trái đã được thực hiện

Thử tải cầu đường cao tốc

Petra Bujňáková 1, *, Jozef Jošt 1, và Matúš Farbák 1

1 Đại học Žilina, Cục Kết cấu và Cầu, Univerzitná 8215/1, Xlô-va-ki-a

Trừu tượng Cầu bê tông đoạn mới được xây dựng gần thành phố

Žilina, căn chỉnh ed trên hành lang đường cao tốc Châu Âu E 50 Cầu được cấu tạo bởi hai kết cấu dầm hộp dự ứng lực đúc sẵn riêng biệt được thi công theo phương pháp đúc hẫng cân bằng Tổng chiều dài của cả hai cấu trúc là 1042 m Cấu trúc thượng tầng tương tự bao gồm tổng cộng mười tám nhịp liên tục với các nhịp chính dài 60,5 m Quá trình xây dựng, khả năng chịu tải và giám sát của cầu đã được điều tra trước khi thông xe Bài báo trình bày xác minh về ứng xử kết cấu của cầu dưới tải trọng tĩnh so với mô hình dự đoán cho cả kết cấu ứng suất trước đúc sẵn

1 Giới thiệu

Việc sử dụng dầm hộp bê tông đúc sẵn được lựa chọn là hệ thống linh hoạt và phương pháp thích hợp tại các khu vực thành phố Một ưu điểm của kỹ thuật này là loại bỏ các công trình sai thông thường và các giá đỡ tạm thời bằng cách áp dụng phương pháp xây dựng công xôn Phần chính của công việc được thực hiện trong sân tiền chế và quá trình lắp dựng có thể bắt đầu đồng thời với công việc nền móng Trong quá trình xây dựng, kết cấu thay đổi về hệ thống tĩnh, về giá đỡ, tải trọng và độ lớn của ứng suất trước bên ngoài Toàn bộ phần vẫn được nén dưới cả tải trọng chết và tải trọng sống Việc đánh giá chính xác ứng suất và biến dạng trong từng giai đoạn xây dựng là điều cần thiết để duy trì mức độ an toàn và đảm bảo hướng cầu cuối cùng theo yêu cầu Trước khả năng phục vụ của hệ thống cầu, Các mã tiêu chuẩn của Slovakia khuyến nghị thử tải tĩnh cho bất kỳ cây cầu mới nào vượt quá 18 m và thử tải động cho nhịp cầu trên 45,0 m [9] Thử tải cầu cho phép khảo sát ứng xử thực tế của kết cấu khi chịu tải trọng ngắn hạn Giám sát cầu là một bổ sung cho thử nghiệm tải trọng Nó có thể phát hiện các hành vi bất thường trong giai đoạn xây dựng, thời gian bảo trì và sự xuống cấp của cây cầu Sự thay đổi kết cấu có thể do các nguyên nhân khác như nền móng bị lún đột ngột, nền đất bị dịch chuyển, giao thông quá nhiều hoặc đứt gân dự ứng lực [4]

Để tránh những thay đổi cấu trúc không thể đoán trước, cả hai cấu trúc thượng tầng của cầu đều được theo dõi Dữ liệu được thu thập liên tục trong quá trình chế tạo và lắp dựng trong năm 2016 và 2017 Việc thử nghiệm tĩnh và động (cầu bên phải) được thực hiện vào tháng 11 năm 2017

* Đồng tác giả: petra.bujnakova@fstav.uniza.sk

2 Thử tải cầu

Thử nghiệm tải được thực hiện bởi Khoa Kết cấu và Cầu (Đại học Žilina) phối hợp với Phòng thí nghiệm Công trình được công nhận tại Đại học Žilina Việc đo cầu bên phải và bên trái đã được thực hiện để đạt được hiệu quả chịu tải lớn nhất cho các nhịp đã chọn của kết cấu thượng tầng cầu Các đại lượng đo được so sánh với các giá trị tương ứng thu được từ tính toán lý thuyết đạt được sử dụng mô hình FE để xác định ứng xử thực tế của kết cấu cầu Trong quá trình thử nghiệm, biến dạng và độ võng dọc được máy tính chủ đo và ghi lại Sự chuyển động của ổ trục đã được kiểm soát trắc địa Nhiệt độ của cấu trúc và nhiệt độ môi trường xung quanh đã được đăng ký

2.1 Mô tả cầu

Cây cầu phân đoạn này là một phần của tuyến đường cao tốc mới của Slovakia từ Bratislava đến biên giới Ukraine, tạo thành tuyến kết nối quốc tế E 50, nằm trong khu vực đô thị của làng “Liệtavská Lúčka” gần thành phố Žilina Cầu bao gồm hai kết cấu bê tông đúc sẵn riêng biệt Cả hai cấu trúc thượng tầng bao gồm tổng cộng mười tám nhịp liên tục với chiều dài 46,10 +15 x 60,50 + 49,80 + 32,80 m, Hình 1 Phương pháp đúc hẫng cân bằng, với giàn tự phóng được sử dụng để lắp dựng Các nhịp cuối ngắn hơn, tiếp giáp với mố, phải được xây dựng bằng cách sử dụng công việc giả mạo Cấu trúc dự ứng lực được làm bằng các đơn vị đúc sẵn riêng lẻ được ứng suất với nhau Các mối nối được làm bằng nhựa epoxy rất mỏng Để khóa các đoạn lại với nhau, các phím cắt được đúc vào các mặt khớp

Lòng đường có chiều rộng thay đổi giữa các rào chắn từ 11,75 đến 13,25 m và tổng chiều rộng mặt cầu thay đổi từ 14,25 đến 15,75 m Mặt cắt ngang điển hình bao gồm dầm hộp dự ứng lực có độ sâu không đổi 3,0 m cho tất

cả các nhịp cung cấp tiết diện hiệu quả nhất cho việc đúc, Hình 2 Tỷ lệ nhịp trên chiều sâu tương ứng với 20 Đoạn trụ và mố là Chiều dài 1,65 m, các đoạn nhịp dài 2,2 m Các đoạn nhịp được thiết kế bằng bê tông cấp C 45/55 và các đoạn trụ C 55/67 Mặt cắt ngang điển hình được thể hiện trong Hình 2 Độ dày màng không đổi 500 mm được xác định bằng cách xem xét lực cắt, vì có các ống dẫn gân bên trong bê tông Lưới dầm hộp nằm nghiêng Các gờ cục bộ được sử dụng ở giao điểm của tấm đáy và mạng lưới để cung cấp đủ không gian để chứa đủ số lượng gân cần thiết Đoạn hộp có chiều rộng bản đáy là 6,5 m Các mặt bích đáy dày 200 mm và 350 mm Chiều dày tấm trên cùng có thể thay đổi, là kết quả của tiêu chuẩn độ võng giới hạn dưới tải trọng trực tiếp Kết cấu thượng tầng được ứng suất trước bằng các gân ứng suất trước ngoại quan của sợi đường kính 15,7 mm

2 Thử tải cầu 2.2 Mô hình hóa và phân tích

Thử nghiệm tải được thực hiện bởi Khoa Kết cấu và Cầu (Đại học Žilina) phối hợp với Phòng thí nghiệm Công trình được công nhận

tại Đại học Žilina Việc đo cầu bên phải và bên trái đã được thực hiện để đạt được hiệu quả chịu tải lớn nhất cho các nhịp đã chọn của

kết cấu thượng tầng cầu Các đại lượng đo được so sánh với các giá trị tương ứng thu được từ tính toán lý thuyết đạt được sử dụng

mô hình FE để xác định ứng xử thực tế của kết cấu cầu Trong quá trình thử nghiệm, biến dạng và độ võng dọc được máy tính chủ đo

và ghi lại Sự chuyển động của ổ trục đã được kiểm soát trắc địa Nhiệt độ của cấu trúc và nhiệt độ môi trường xung quanh đã được

đăng ký

Mô hình phần tử mịn đại diện (FEM) được tạo ra để khảo sát đặc tính kết cấu của cả hai cầu ứng suất trước khi chịu tải Kết cấu cầu được tạo ra như một kết cấu dầm hộp liên tục trong chương trình máy tính Scia Engineer, Hình 3 Hình học cầu đã được lấy từ báo cáo kỹ thuật [1], [2] Như một đặc tính của vật liệu đầu vào, các giá trị xác định bằng thực nghiệm của cường độ nén và mô đun đàn hồi của bê tông đã được sử dụng Tất cả các mẫu đều được thử nghiệm trong Phòng thí nghiệm Công trình Xây dựng được Công nhận tại Đại học Žilina [3]

Các mẫu bê tông được lấy trong quá trình lắp dựng phân đoạn tại bãi tĩnh và trong quá trình đổ bê tông của mối nối đóng tại công trường Cường độ nén là đặc tính hiệu suất chung được đo bằng cách phá vỡ các mẫu bê tông hình khối có kích thước 150 mm trong phòng thí nghiệm Cường độ bê tông đạt được trung bình là 74,8 MPa đối với các đoạn gần cầu tàu và đối với mối nối đóng bê tông ở nhịp giữa là 66,8 MPa (mẫu 3x3) Mô đun đàn hồi thực tế của bê tông là thông số quyết định độ võng của cầu Mô đun đàn hồi tĩnh trung bình thu được từ thử nghiệm là 42,7 GPa (3 lần mẫu, • 150x300 mm) Để xác định tốt hơn mô đun đàn hồi, phương pháp không phá hủy đã được sử dụng Các phép đo siêu âm được thực hiện trên các mẫu 3x3 với kích thước • 150x300 mm Giá trị trung bình là 41,07 GPa

2.1 Mô tả cầu

Cây cầu phân đoạn này là một phần của tuyến đường cao tốc mới của Slovakia từ Bratislava đến biên giới Ukraine, tạo thành tuyến

kết nối quốc tế E 50, nằm trong khu vực đô thị của làng “Liệtavská Lúčka” gần thành phố Žilina Cầu bao gồm hai kết cấu bê tông đúc

sẵn riêng biệt Cả hai cấu trúc thượng tầng bao gồm tổng cộng mười tám nhịp liên tục với chiều dài 46,10 +15 x 60,50 + 49,80 + 32,80

m, Hình 1 Phương pháp đúc hẫng cân bằng, với giàn tự phóng được sử dụng để lắp dựng Các nhịp cuối ngắn hơn, tiếp giáp với mố,

phải được xây dựng bằng cách sử dụng công việc giả mạo Cấu trúc dự ứng lực được làm bằng các đơn vị đúc sẵn riêng lẻ được ứng

suất với nhau Các mối nối được làm bằng nhựa epoxy rất mỏng Để khóa các đoạn lại với nhau, các phím cắt được đúc vào các mặt

khớp

Lòng đường có chiều rộng thay đổi giữa các rào chắn từ 11,75 đến 13,25 m và tổng chiều rộng mặt cầu thay đổi từ 14,25 đến

15,75 m Mặt cắt ngang điển hình bao gồm dầm hộp dự ứng lực có độ sâu không đổi 3,0 m cho tất cả các nhịp cung cấp tiết diện hiệu

quả nhất cho việc đúc, Hình 2 Tỷ lệ nhịp trên chiều sâu tương ứng với 20 Đoạn trụ và mố là Chiều dài 1,65 m, các đoạn nhịp dài 2,2

m Các đoạn nhịp được thiết kế bằng bê tông cấp C 45/55 và các đoạn trụ C 55/67 Mặt cắt ngang điển hình được thể hiện trong Hình

2 Độ dày màng không đổi 500 mm được xác định bằng cách xem xét lực cắt, vì có các ống dẫn gân bên trong bê tông Lưới dầm hộp

nằm nghiêng Các gờ cục bộ được sử dụng ở giao điểm của tấm đáy và mạng lưới để cung cấp đủ không gian để chứa đủ số lượng

gân cần thiết Đoạn hộp có chiều rộng bản đáy là 6,5 m Các mặt bích đáy dày 200 mm và 350 mm Chiều dày tấm trên cùng có thể

thay đổi, là kết quả của tiêu chuẩn độ võng giới hạn dưới tải trọng trực tiếp Kết cấu thượng tầng được ứng suất trước bằng các gân

ứng suất trước ngoại quan của sợi đường kính 15,7 mm

Hình 3 Mô hình FE của cấu trúc thượng tầng cầu

2.3 Quy trình thử tải

Quy trình thử tải và loại thiết bị đo đạc được sử dụng cho cả hai cầu về cơ bản là giống nhau Các đồng hồ đo biến dạng, thiết bị đo độ võng và thiết bị đo gia tốc đã được lắp đặt tại các vị trí xác định để thử nghiệm

Bốn máy đo biến dạng theo Hình 4 được lắp đặt tại giao điểm của các tấm và lưới của các mặt cắt Tổng cộng

có 16 máy đo biến dạng được đặt trên cầu bên trái (nhịp số 7 và số 16) và 16 máy đo biến dạng trên cầu bên phải (nhịp số 2 và số 9) Các đoạn đã chọn của cây cầu bên phải đã được thực hiện với các máy đo biến dạng trong quá trình lắp dựng Các đồng hồ đo biến dạng được lắp đặt ở nhịp giữa trên khớp đóng (Hình 4) và gần đoạn trụ (Hình 5) Đối với sự thay đổi phụ thuộc vào thời gian biến dạng của cầu bên trái, thiết bị đo biến dạng dây rung, thích hợp cho các số đọc dài hạn được đặt trong đoạn trụ trong quá trình đúc tại bãi tĩnh (Hình 6) và trong khớp đóng trước khi

đổ bê tông tại chỗ (Hình 7 )

Độ lệch dọc được đo bằng đầu dò dịch chuyển tuyến tính Bảy nhịp được chọn được đo trên mỗi cây cầu Các điểm đo được lắp đặt ở bên trái và ở phía dưới bên phải của mặt cắt ngang tại nhịp giữa Sự chuyển động của cấu trúc thượng tầng cầu trên các gối được xác minh tại hai điểm Các phép đo nhiệt độ (môi trường xung quanh và kết cấu) được thực hiện trên 32 vị trí khác nhau được chỉ định trên tâm của các đoạn nhịp và trụ Các dấu hiệu khác như nứt đã được kiểm soát trong quá trình thử nghiệm

Thiết bị thử nghiệm để thử tải tĩnh được thiết kế như sau, 4 phương tiện thử nghiệm trên nhịp đầu tiên và nhịp cuối Sân chính (60,5 m) bao gồm 6 xe thử nghiệm Trọng lượng tối đa của xe 4 trục cần thiết để thử tải là 42,0 tấn Các phương tiện được đặt tại các vị trí tải trọng tới hạn đã xác định trước trên kết cấu cầu và đo biến dạng và độ võng

Hình 4 Cầu phải - Thiết lập thiết bị đo biến dạng - đóng chung

Hình 5 Cầu phải - Thiết bị đo biến dạng gần bến tàu

Hình 6 Cầu trái - Thiết lập thiết bị đo biến dạng - phân đoạn đúc

Hình 7 Cầu trái - Thiết lập thiết bị đo biến dạng - đóng chung - trong quá trình cương cứng

Khoảng thời gian đo tác dụng của tải là 60 phút và sau đó là 60 phút để dỡ tải Tổng thời gian thử tải tĩnh cả kết cấu dầm hộp dự ứng lực được thực hiện là 15 giờ Hiệu suất tải tĩnh (tỷ lệ giữa giá trị tải thực tế với giá trị

Thiết bị thử nghiệm để thử tải tĩnh được thiết kế như sau, 4 phương tiện thử nghiệm trên nhịp đầu tiên và nhịp cuối Sân chính

(60,5 m) bao gồm 6 xe thử nghiệm Trọng lượng tối đa của xe 4 trục cần thiết để thử tải là 42,0 tấn Các phương tiện được đặt tại các

vị trí tải trọng tới hạn đã xác định trước trên kết cấu cầu và đo biến dạng và độ võng

được xem xét trong tính toán) được xác định từ các giá trị của độ võng dọc tại nhịp giữa theo STN 73 6209 • 9 • Kết quả so sánh giữa độ võng đo được và ước tính lý thuyết của nhịp giữa cho bên trái và bên phải của cầu dự ứng lực được thể hiện trong Hình 8, 9 Độ võng dư lớn nhất ở giữa nhịp chính của cả hai kết cấu thượng tầng xấp xỉ 12,5 mm

Hình 4 Cầu phải - Thiết lập thiết bị đo biến dạng - đóng chung

Hình 8 Độ lệch của cấu trúc cầu - Cầu bên phải

Hình 10 minh họa sự biến đổi ứng suất pháp tuyến ở phần giữa của nhịp thứ mười sáu của cầu bên trái trong các giai đoạn thi công (trong giai đoạn đúc hẫng, Pnk), trước khi gia tải (PZS) và trong thử tải tĩnh (ZS) Sự phân bố ứng suất dự đoán và các giá trị thu được ở bản đáy và bản trên của mặt cắt đạt được thỏa thuận chấp nhận được

Hình 6 Cầu trái - Thiết lập thiết bị đo biến dạng - phân đoạn đúc

Hình 10 Biến đổi ứng suất bình thường (nhịp số 16) - Cầu trái

Thử tải động của cầu bên phải được thực hiện với hai xe 4 trục chạy ở giữa đường với tốc độ không đổi Thử nghiệm bắt đầu ở tốc độ xe khoảng 5 km / h và sau đó tăng tốc độ lên 70 km / h Các thử nghiệm được lặp lại với một tấm ván đặt trên đường trong mặt cắt đo chính (nhịp số 8) Cầu bên trái (nhịp số 9) sẽ chạy thử trong thời gian tới Sau đó, kết quả của các bài kiểm tra động lực học, chẳng hạn như tần số tự nhiên, độ lệch động, tỷ số giảm chấn sẽ hiển thị trong bài báo tiếp theo

Hình 7 Cầu trái - Thiết lập thiết bị đo biến dạng - đóng chung - trong quá trình cương cứng

Khoảng thời gian đo tác dụng của tải là 60 phút và sau đó là 60 phút để dỡ tải Tổng thời gian thử tải tĩnh cả kết cấu dầm hộp dự

ứng lực được thực hiện là 15 giờ Hiệu suất tải tĩnh (tỷ lệ giữa giá trị tải thực tế với giá trị

3 Kết luận

Tải bằng chứng đã chỉ ra rằng cả hai cấu trúc phân đoạn đúc sẵn đều có cường độ lớn hơn dự đoán của phân tích Không quan sát thấy nứt hoặc các dấu hiệu khác của sự cố khi tải trọng tác dụng Hệ số hiệu quả về tải trọng là khoảng 73% đối với các nhịp chính và 88% đối với các nhịp cuối đáp ứng yêu cầu tiêu chuẩn quốc gia từ 0,7 đến 1,05 đối với cầu bê tông theo • 9 • Phân tích độ võng chỉ ra rằng kết cấu cầu đang trong tình trạng đàn hồi tốt Mô đun đàn hồi thực tế phải được biết đến để giải thích tốt hơn các kết quả thử tải Dữ liệu thu thập được trong quá trình thử nghiệm tải có thể được sử dụng để đánh giá tình trạng trong tương lai và sẽ có thể phát hiện bất kỳ lỗi tiềm ẩn nào

Công việc nghiên cứu này được hỗ trợ bởi Cơ quan tài trợ Slovakia theo hợp đồng số 1/0336/15 và số 1/0343/18

Người giới thiệu

1

2

3

J Bujňák, Rà soát thiết kế cầu phải SO 209 tại công trình đường D1

Hričovské Podhradie - Liệtavská Lúčka ( Đại học Žilina, Slovakia, 07/2015)

J Bujňá k, Rà soát thiết kế cầu trái SO 209 tại công trình đường D1

Hričovské Podhradie - Liệtavská Lúčka ( Đại học Žilina, Slovakia, 11, 2015)

J Bujňák J, P Bujňáková, Báo cáo giám sát cầu SO 209 tại công trình xây dựng đường cao tốc n D1

Hričovské Podhradie - Liệtavská Lúčka ( Đại học Žilina,

Slovakia, 2018)

B Massicotte, A Picard, Tạp chí PCI, tháng 5-tháng 6, 66- 80 (1994)

4

5 M Hassan, O Burdet và R Favre, IABSE Colloquium: Năng lực cấu trúc còn lại, Copenhagen, Đan Mạch, tháng

3 (1993)

6

7

số 8.

9

10

11

12

J Zhao, T Liu, Y Wang, Hội nghị Quốc tế về Quản lý Rủi ro và Kỹ thuật (2011)

Hướng dẫn thiết kế: Cầu bê tông ứng suất trước được xây dựng bằng phương pháp đúc hẫng (Sétra:

FR, 2003)

Hướng dẫn thực hành tốt, báo cáo FIB: Cầu nối phân đoạn trước 2017, ISBN 978-2- 88394-122-9, 183 (2017) STN 73 6209: Thử nghiệm tải cầu (1979)

STN EN 1991-2: 2006 Eurocode 1: Actions on Structures Phần 2: Tải trọng giao thông trên cầu (UNMS, Bratislava, SK)

STN EN 1992-2: 2012 Eurocode 2: Design of Concrete Bridges Quy tắc thiết kế và chi tiết (UNMS, Bratislava, SK)

STN EN 206 + A1: 2017 Bê tông Đặc điểm kỹ thuật, hiệu suất, sản xuất và sự phù hợp (UNMS, Bratislava, SK)