Nghiên cứu khả năng ứng dụng công nghệ dự ứng lực ngoài trong công tác mở rộng và gia cường cầu ở tây ninh

Trong số các công trình cầu của nước ta thì cầu được xây dựng bằng bê tông cốt thép chiếm đa số và trong đó cầu bê tông cốt thép với kết cấu nhịp giản đơn chiếm trên 50%.. MỤC ĐÍCH ĐỀ TÀ

ĐẶNG QUỐC THÁI

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ

DỰ ỨNG LỰC NGOÀI TRONG CÔNG TÁC MỞ RỘNG

VÀ GIA CƯỜNG CẦU Ở TÂY NINH

Mã số ngành : 60 58 02 05

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2017

Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS TS LÊ THỊ BÍCH THỦY

5 TS Nguyễn Xuân Long

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA KTXD

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Ngày, tháng, năm sinh: 09/12/1990 Nơi sinh: Tây Ninh

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Xây Dựng Công Trình Giao Thông Mã số: 60580205

I TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ DỰ ỨNG LỰC NGOÀI TRONG CÔNG TÁC MỞ RỘNG VÀ GIA CƯỜNG CẦU Ở TÂY NINH

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

Nhiệm vụ : Nghiên cứu công nghệ dự ứng lực ngoài trong công tác sửa chữa và gia cường cầu cũ, kết hợp mở rộng mặt cắt ngang cầu cho phù hợp với phần đường trên tuyến đã được nâng cấp, mở rộng Ứng dụng tính toán thực tế sửa chữa, gia cường và

mở rộng mặt cắt ngang cho cầu Kênh Đông trên địa bàn tỉnh Tây Ninh

Nội dung : Luận văn bao gồm 3 nội dung chính sau đây

1 Nghiên cứu tổng quan về cầu bê tông cốt thép và những hư hỏng trên địa bàn tỉnh Tây Ninh;

2 Nghiên cứu tính toán thiết kế kết cấu dự ứng lực ngoài trong sửa chữa và tăng cường kết cấu cầu hiện hữu;

3 Nghiên cứu, ứng dụng công nghệ dự ứng lực ngoài trong mở rộng và gia cường cầu Kênh Đông trên địa bàn tỉnh Tây Ninh;

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 04/7/2016

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 04/12/2016

V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS TS Lê Thị Bích Thủy

Tp HCM, ngày tháng năm 2017

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

PGS TS LÊ THỊ BÍCH THỦY TS LÊ BÁ KHÁNH

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

LỜI CÁM ƠN

Trong thời gian học tập tại trường Đại học Bách Khoa thành phố Hồ Chí Minh, tôi đã tiếp thu được nhiều kiến thức quý giá từ các môn học để thực hiện luận văn và áp dụng trong công việc Trước hết, tôi muốn gởi lời cám ơn đến các Thầy

Cô trong Bộ Môn Cầu Đường đã tận tình hướng dẫn, giảng dạy trong suốt quá trình học tập, rèn luyện và nghiên cứu tại trường Đại học Bách Khoa thành phố Hồ Chí Minh

Xin chân thành cảm ơn giáo viên trực tiếp hướng dẫn, PGS TS Lê Thị Bích

Thủy, người đã tận tình, chu đáo hướng dẫn tôi hoàn thành luận văn này

Tôi xin cám ơn đến tập thể Ban lãnh đạo Ban Quản lý Dự án Đầu tư Xây dựng Ngành Giao thông tỉnh Tây Ninh cùng các đồng nghiệp, cũng như bạn bè đã giúp

đỡ tôi trong suốt thời gian học tập cũng như thực hiện luận văn

Cuối cùng, tôi xin được gởi lời cám ơn đến gia đình Sự động viên, chia sẻ của mọi người là niềm động lực lớn lao đối với tôi trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu

Mặc dù đã có nhiều cố gắng để thực hiện đề tài một cách hoàn chỉnh nhất Song do còn nhiều hạn chế về kiến thức cũng như kinh nghiệm thực hành nên không thể tránh khỏi những thiếu sót nhất định mà bản thân chưa thấy được Tôi rất mong nhận được nhiều sự góp ý của quý thầy cô và các bạn đồng nghiệp để luận văn được hoàn chỉnh hơn

Trân trọng./

Học viên

Đặng Quốc Thái

TÓM TẮT

Xuất phát từ tình hình thực tế của các công trình cầu nói chung và cầu bê tông cốt thép nói riêng ở trên địa bàn tỉnh Tây Ninh hiện nay đã bị xuống cấp trầm trọng Do thời gian xây dựng đã lâu và công tác duy tu bảo dưỡng chưa được quan tâm đúng mức, cộng với luôn phải khai thác trong tình trạng quá tải nên đa phần các cầu này không phù hợp với tải trọng khai thác mới Trước tình hình trên, ngành Giao thông Vận tải (GTVT) của tỉnh luôn một mặt cố gắng đầu tư xây dựng mới, mặt khác do nguồn kinh phí hạn hẹp nên đã có chủ trương sửa chữa, tăng cường tải trọng cho phù hợp với tải trọng khai thác mới Tuy nhiên, vấn đề khó khăn đặt ra là các cầu được sửa chữa, tăng cường tải có mặt cắt ngang không đồng bộ với tuyến đường đã được nâng cấp, mở rộng Xảy ra hiện tượng thắt cổ chai ở các đoạn đường đầu cầu, gây mất an toàn giao thông khi khai thác Chính vì vậy đòi hỏi phải phát triển các nghiên cứu về giải pháp kết cấu phù hợp với công tác sửa chữa, gia cường kết hợp với mở rộng mặt cắt ngang cầu cho phù hợp với tải trọng và cấp đường trong điều kiện khai thác hiện nay Nội dung nghiên cứu của đề tài nhằm giải quyết yêu cầu thực tế trên của ngành Giao thông Vận tải của tỉnh hiện nay

ABSTRACT

Derive from the real situation of the bridges in general and reinforced concrete bridges in Tay Ninh in particular which had been seriously degraded They have been built for a long time and are usually overloaded Moreover, maintenance work is not paid attention sufficiently so most of them are not consistent with the new payload In the face of this situation, Tay Ninh's Department of Transportation always attempts to open new constructions However, with limited financial resources, many bridges should be repaired and strengthened to fit with the new operations instead Nevertheless, the bridges which need repairing must have cross-section asynchronously with the roads which have been upgraded, expanded In fact, many bottlenecks occur at the road to the bridges It poses a problem that can cause the roads unsafe in operation Therefore researches on structural solutions suitable for the repair, reinforcement combined with expanding the cross-section to suit the load in current condition need to be given prompt attention This thesis addresses the practical requirements in current transport in Tay Ninh

LỜI CAM ĐOAN

Tôi tên là Đặng Quốc Thái, tôi xin cam đoan rằng Luận văn thạc sĩ với đề tài

“Nghiên cứu khả năng ứng dụng công nghệ dự ứng lực ngoài trong công tác mở rộng và gia cường cầu ở Tây Ninh” là do tôi tự tiến hành thực hiện và không sao

chép của các luận văn đi trước Mọi trích dẫn trong luận văn (nếu có) từ các nguồn tài liệu sách, báo mạng, tiêu chuẩn hiện hành đều được tôi ghi chi tiết nguồn trích dẫn và tên tác giả Nếu nhà trường phát hiện có điều gì gian dối, tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm./

Học viên

Đặng Quốc Thái

MỤC LỤC

A TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI 1

B MỤC ĐÍCH ĐỀ TÀI 2

C PHẠM VI, CƠ SỞ CỦA VIỆC NGHIÊN CỨU 2

D NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 3

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 4 1.1 TỔNG QUAN VỀ CẦU BÊTÔNG CỐT THÉP CŨ TRÊN ĐỊA BÀN TỈNH TÂY NINH 4

1.2 SỬA CHỮA VÀ GIA CƯỜNG CẦU BÊTÔNG CỐT THÉP CŨ Ở TÂY NINH 5 1.2.1 Các dạng hư hỏng thường gặp đối với kết cấu cầu bê tồng cốt thép cũ: 5

1.2.2 Các nguyên nhân gây hư hỏng cầu bê tông cốt thép: 7

1.2.2.1 Hư hỏng do quá trình phá hủy vật liệu 9

1.2.2.2 Hư hỏng do thiết kế 14

1.2.2.3 Hư hỏng do quá trình thi công 14

1.2.2.4 Hư hỏng do quá trình khai thác 15

1.2.2.5 Đánh giá mức độ hư hỏng 16

1.3 PHÂN TÍCH ĐÁNH GIÁ CÁC BIỆN PHÁP SỬA CHỮA VÀ TĂNG CƯỜNG CẦU BÊ TÔNG CỐT THÉP HIỆN NAY 16

1.3.1 Biện pháp bê tông phun 17

1.3.2 Biện pháp sửa chữa dán bản thép ngoài 18

1.3.3 Biện pháp tăng cường sửa chữa bằng tấm sợi cacbon 20

1.3.4 Biện pháp đặt thêm cốt thép dự ứng lực ngoài 23

1.4 TÌNH HÌNH ÁP DỤNG BIỆN PHÁP SỬA CHỮA, GIA CƯỜNG CẦU BÊ TÔNG DỰ ỨNG LỰC GIẢN ĐƠN BẰNG CÔNG NGHỆ DỰ ỨNG LỰC NGOÀI Ở

TÂY NINH 25

1.4.1 Cầu bê tông dự ứng lực được sửa chữa và gia cường ở Tây Ninh: 26

1.5 KẾT LUẬN, MỤC TIÊU VÀ NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI 28

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN THIẾT KẾ KẾT CẤU DỰ ỨNG LỰCNGOÀI TRONG SỬA CHỮA VÀ TĂNG CƯỜNG KẾT CẤU CẦU HIỆN HỮU 30 2.1 CÔNG NGHỆ DỰ ỨNG LỰC NGOÀI VÀ TRIỂN VỌNG ỨNG DỤNG 30

2.1.1 Khái niệm về dự ứng lực ngoài 30

2.1.2 Khả năng ứng dụng công nghệ dự ứng lực ngoài 30

2.1.3 Giải pháp công nghệ 31

2.1.3.1 Giải pháp bố trí đường đi của cáp dự ứng lực ngoài 31

2.1.3.2 Giải pháp bố trí neo cáp dự ứng lực ngoài 32

2.1.3.3 Giải pháp bố trí hệ thống chuyển hướng cáp 33

2.1.3.4 Giải pháp liên kết chống mất ổn định hình dạng kết cấu và thay đổi độ lệch tâm của cáp dự ứng lực ngoài 34

2.1.3.5 Giải pháp chống rung cho cáp dự ứng lực ngoài 35

2.1.3.6 Cấu tạo bó cáp dự ứng lực ngoàivà các phụ kiện 35

2.1.4 Giới thiệu về phương pháp tăng cường tổng thể hệ thống nhiều nhịp cầu bằng dự ứng lực ngoài 38

2.1.4.1 Khái niệm 38

2.1.4.2 Sơ đồ kết cấu từ tĩnh định chuyển sang siêu tĩnh 38

2.1.4.3 So sánh phương pháp tăng cường tổng thể với phương pháp tăng cường cục bộ bằng dự ứng lực ngoài 39

2.2 MÔ HÌNH TÍNH TOÁN KẾT CẤU CẦU TĂNG CƯỜNG BỞIDỰ ỨNG LỰC NGOÀI 40

2.2.1 Giới thiệu chung 40

2.2.1.1 Tổng quan về các nội dung tính toán kết cấu dự ứng lực ngoài 40

2.2.1.2 Hiện trạng và năng lực thực tế của kết cấu hiện hữu 41

2.2.2 Các giả thiết trong tính toán kết cấu bê tông dự ứng lực và bê tông dự ứng lực ngoài 41

2.2.2.1 Bê tông: 41

2.2.2.2 Cốt thép thường 42

2.2.2.3 Thép dự ứng lực 42

2.2.2.4 Các giả thiết tính toán 42

2.2.3 Đặc điểm chịu lực kết cấu dự ứng lực ngoài so với dự ứng lực trong 43

2.2.4 Các sơ đồ tính toán kết cấu dự ứng lực ngoài theo trạng thái giới hạn sử dụng 44

2.2.5 Các vấn đề cần xem xét trong tính toán dự ứng lực ngoài ở TTGHSD 45

2.2.5.1 Mất mát dự ứng lực trong thép dự ứng lực ngoài và kết cấu hiện hữu 45

2.2.5.2 Trượt tương đối giữa ụ chuyển hướng và thép dự ứng lực ngoài 46

2.2.5.3 So sánh hai phương pháp trong tính toán kết cấu dự ứng lực ngoài ở TTGH Sử dụng 47 2.2.6 Tính toán kết cấu dự ứng lực ngoài theo trạng thái giới hạn cường độ 48

2.2.6.1 Tổng quan 48

2.2.6.2 Các nghiên cứu để xác định fps. 50

2.2.6.3 Hệ số giảm biến dạng hay giảm dính bám 53

2.2.7 Công thức xác định ứng suất trong thép dự ứng lực ngoài ở trạng thái giới hạn cường độ 56

2.2.7.1 Sửa đổi và mở rộng 57

2.2.7.2 Công thức do Naaman đề xuất sửa đổi tiêu chuẩn ACI 57

2.3 CÔNG NGHỆ THI CÔNG 61

2.3.1 Những công việc cần thực hiện trong công nghệ thi công 61

2.3.1.1 Công tác định vị: 61

2.3.1.2 Khoan lỗ qua bê tông: 61

2.3.1.3 Thi công các cấu kiện: neo, ụ chuyển hướng, dầm ngang 62

2.3.1.4 Bơm epoxy lấp kín các vết nứt trong kết cấu cũ: 62

2.3.1.5 Căng kéo dự ứng lực ngoài: 63

2.3.2 Trình tự thực hiện trong công nghệ thi công 65

2.4 KẾT LUẬN 69

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU, ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ DỰ ỨNG LỰC NGOÀI MỞ RỘNG VÀ GIA CƯỜNG CẦU KÊNH ĐÔNG TRÊN ĐỊA

3.1 CÁC YÊU CẦU CỦA NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG 70

3.2 HIỆN TRẠNG CỦA CẦU KÊNH ĐÔNG VÀ GIẢI PHÁP THIẾT KẾ GIA CƯỜNG, MỞ RỘNG 71

3.2.1 Hiện trạng cầu Kênh Đông: 71

3.2.2 Đánh giá khả năng chịu tải của cầu theo tải trọng thiết kế HL93 73

3.2.2.1 Tính toán nội lực: 73

3.2.2.2 Sức kháng momen và lực cắt của dầm: 73

3.2.2.3 Kết quả đánh giá 73

3.2.2.4 Kết luận: 75

3.2.3 Giải pháp mở rộng và gia cường kết cấu nhịp: 75

3.2.3.1 Mở rộng mặt cắt ngang: 75

3.2.3.2 Gia cường theo phương ngang cầu: 76

3.2.3.3 Gia cường theo phương dọc cầu: 77

3.3 TÍNH TOÁN SỬA CHỮA VÀ GIA CƯỜNG DẦM CHÍNH 78

3.3.1 Tiêu chuẩn thiết kế 78

3.3.2 Vật liệu 78

3.3.2.1 Bê tông dầm 78

3.3.2.2 Cáp dự ứng lực 79

3.3.2.3 Cốt thép thường 79

3.3.3 Tải trọng và tác động 80

3.3.3.1 Trọng lượng bản thân dầm 80

3.3.3.2 Trọng lượng của tĩnh tải phần 2 80

3.3.3.3 Lực kéo cáp dự ứng lực 80

3.3.3.4 Hoạt tải 81

3.3.4 Sơ đồ mô hình hóa kết cấu 82

3.3.4.1 Mô hình hóa và đánh số phần tử: 83

3.3.4.2 Mặt cắt tính toán 83

3.3.4.3 Đánh số phần tử cáp dự ứng lực 83

3.3.5 Tổng hợp kết quả tính toán từ Midas 83

3.3.5.1 Tổ hợp nội lực tính toán 83

3.3.5.2 Kết quả tính toán 83

3.3.6 Kiểm toán kết cấu nhịp: 84

3.3.6.1 Kết quả kiểm toán ứng suất trong dầm 84

3.3.6.2 Kết quả kiểm toánđộ võng trong dầm do tải trọng hoạt tải 84

3.3.6.3 Kết quả kiểm toán theo trạng thái giới hạn cường độ 85

3.4 KIỂM TOÁN DẦM DỌC PHỤ 86

3.4.1 Tổng hợp nội lực dầm phụ 87

3.4.2 Thiết kế cốt thép và kiểm toán dầm dọc phụ ở TTGH CD1 87

3.4.2.1 Kiểm toán cốt thép theo các điều kiện: 87

3.5 TÍNH TOÁN BẢN MẶT CẦU PHẦN MỞ RỘNG 90

3.5.1 Tính toán bản mặt cầu: 90

3.5.1.1 Sơ đồ kết cấu tính toán của bản mặt cầu phần mở rộng: 90

3.5.1.2 Số liệu tính toán bản mặt cầu: 92

3.5.1.3 Tải trọng tác dụng và hệ số tải trọng: 92

3.5.1.4 Tải trọng tác dụng lên bản mặt cầu: 92

3.5.1.5 Thiết kế cốt thép và kiểm toán bản mặt cầu mở rộng ở TTGH cường độ 1: 94

3.5.1.6 Kiểm toán cốt thép theo các điều kiện: 95

3.6 ĐÁNH GIÁ CÁC CHỈ TIÊU KỸ THUẬT, KINH TẾ CỦA CÁC GIẢI PHÁP NGHIÊN CỨU 96

3.6.1 Về mặt chịu lực 96

3.6.2 Công nghệ thi công 97

3.6.3 Hiệu quả kinh tế 97

3.7 ĐỀ XUẤT PHƯƠNG ÁN PHÙ HỢP VỚI ĐIỀU KIỆN THỰC TẾ CỦA CÁC CẦU ỞTÂY NINH 97

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Kiểm định, đánh giá các cầu BTCT cũ trên địa bàn tỉnh Tây Ninh 6

Hình 1.2 Biển hạn chế tải trọng cầu Kênh Đông 7

Hình 1.3 Bảo dưỡng định kỳ hàng năm chưa thực sự được chú trọng 8

Hình 1.4 Hư hỏng khe co giãn 9

Hình 1.5 Công nghệ Bê tông phun 17

Hình 1.6 Công nghệ gia cường bằng vật liệu composite 20

Hình 1.7 Vật liệu composite 21

Hình 1.8 Nguyên lý làm việc của cáp dự ứng lực 23

Hình 1.9 Neo dầm ngang cáp dự ứng lực 12,7mm 24

Hình 1.10 Tăng cường cáp dự ứng lực ngoài dọc cầu cho cầu BTCT 24

Hình 2.1 Tăng cường dầm cầu bê tông bằng dự ứng lực ngoài tuyến cáp thẳng 31

Hình 2.2 Tăng cường dầm cầu bê tông bằng dự ứng lực ngoài tuyến cáp gãy khúc 32 Hình 2.3 Sự thay đổi lệch tâm của cáp dự ưng lực ngoài 34

Hình 2.4 Neo cáp dự ứng lực 37

Hình 2.5 Sơ đồ bố trí cáp dọc gia cường nối nhiều nhịp liên tục 39

Hình 2.6 Sơ đồ tính trạng thái giới hạn sử dụng [1] 44

Hình 2.7 Sơ đồ tính trạng thái giới hạn sử dụng [2] 45

Hình 2.8 Hiệu ứng thứ cấp làm giảm năng lực chịu tải 49

Hình 2.9 Mối tương quan giữa giá trị dự đoán và giá trị thực nghiệm của fps được sử dụng để xác định Ωu từ số liệu thu thập Naaman và Alkhairi (1991) 51

Hình 2.10 Mối tương quan giữa giá trị dự đoán và giá trị thực nghiệm của Δfps được sử dụng để xác định Ωu từ số liệu thu thập Naaman và Alkhairi (1991) 51

Hình 2.11 Mối tương quan giữa giá trị dự đoán và giá trị thực nghiệm của fps được

sử dụng giá trị triết giảm Ωukhuyến nghị cho việc đưa vào các nghiên cứu tương đối

chính xác theo công thức (4) Naaman và Alkhairi (1991) 52

Hình 2.12 Mối tương quan giữa giá trị dự đoán và giá trị thực nghiệm của fps được sử dụng giá trị triết giảm Ωu khuyến nghị cho việc đưa vào các tiêu chuẩn trong công thức (4) Naaman và Alkhairi (1991) 52

Hình 3.1 Mặt cắt ngang hiện trạng cầu Kênh Đông tại vị trí đầu nhịp 71

Hình 3.2 Mặt cắt ngang hiện trạng cầu Kênh Đông tại vị trí giữa nhịp 72

Hình 3.3 Dầm cầu hiện hữu 72

Hình 3.4 Mặt cắt ngang mở rộng 75

Hình 3.5 Mặt cắt ngang cầu mở rộng vị trí có dầm ngang 76

tăng cường và ụ chuyển hướng 76

Hình 3.6 Mặt cắt ngang mở rộng vị trí có dầm ngang neo đầu nhịp 76

Hình 3.7 Sơ đồ bố trí cáp dọc gia cường cục bộ 78

Hình 3.8 Sơ đồ bố trí cáp dọc gia cường nối 2 nhịp liên tục 78

Hình 3.9 Bố trí cáp dự ứng lực trong của dầm chủ 79

Hình 3.10 Xe tải thiết kế 81

Hình 3.11 Xe 2 trục thiết kế 82

Hình 3.12 Tải trọng làn thiết kế 82

Hình 3.13 kích thước hình học mặt cắt tính toán 83

Hình 3.14 Sơ đồ tính bản mặt cầu 91

Hình 3.15 Sơ đồ tính bản kê 2 cạnh 92

Hình 3.16 Bố trí cốt thép bản mặt cầu phần mở rộng và dầm dọc phụ 95

DANH MỤC BẢNG BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Danh sách các dạng hư hỏng cơ bản 11

Bảng 3.1 Nội lực do tĩnh tải 73

Bảng 3.2 Nội lực do tĩnh tải 2 73

Bảng 3.3 Nội lực do hoạt tải HL93 73

Bảng 3.4 Tổng hợp sức kháng momen, lực cắt đối của dầm 73

Bảng 3.5 Hệ số điều kiện theo c 74

Bảng 3.6 Hệ số hệ thống s 74

Bảng 3.7 Hệ số đánh giá dùng cho tải trọng khai thác 74

Bảng 3.8 Hệ số làn xe 81

Bảng 3.9 Tổng hợp hệ số tải trọng 83

Bảng 3.10 Tổng hợp kiểm toán ứng suất trường hợp gia cường cục bộ 84

Bảng 3.11 Tổng hợp kiểm toán ứng suất trường hợp gia cường tổng thể 84

Bảng 3.12 Kiểm toán momen trạng thái giới hạn cường độ 1 (đơn giản) 86

Bảng 3.13 Kiểm toán momen trạng thái giới hạn cường độ 1 (liên tục) 86

Bảng 3.14 Tổng hợp nội lực dầm phụ 87

Bảng 3.15 Kiểm toán sức kháng uốn của dầm dọc phụ 87

Bảng 3.16 Kết quả tính toán hàm lượng cốt thép tối đa 88

Bảng 3.17 Kết quả tính toán hàm lượng cốt thép tối thiểu 88

Bảng 3.18 Kết quả kiểm toán nứt dầm dọc phụ 89

Bảng 3.19 Kết quả kiểm toán kháng cắt dầm dọc phụ 90

Bảng 3.20 Giá trị nội lực đưa vào kiểm toán bản mặt cầu: 93

Bảng 3.21 Kiểm toán sức kháng uốn của bảng 94

Bảng 3.22 Kết quả tính toán hàm lượng cốt thép tối đa 95

Bảng 3.23 Kết quả tính toán hàm lượng cốt thép tối thiểu 95

Bảng 3.24 Kết quả tính toán 96

Bảng 3.25 Kết quả tính sức kháng cắt 96

Bảng 3.26 Tổng hợp momen sau khi gia cường 97

MỞ ĐẦU

A TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Trong quá trình xây dựng và phát triển đất nước, cần thiết phải xây dựng mới

và bảo trì, nâng cấp một khối lượng lớn cơ sở hạ tầng kỹ thuật Trong đó, hạ tầng kỹ thuật giao thông vận tải là một trong những ngành chiếm tỷ trọng lớn

Để phát triển hạ tầng giao thông đường bộ ngày càng hiện đại, song song với việc xây dựng các công trình mới thì việc duy tu, bảo dưỡng, sửa chữa, cải tạo, nâng cấp mở rộng những công trình sẵn có để phục vụ tốt nhất cho việc lưu thông trong thời gian trước mắt cũng như lâu dài là yêu cầu tất yếu và chiếm một vị trí quan trọng về chiến lược kinh tế, trong đó khối lượng các công trình cầu hiện có giữ một giá trị khá lớn và quyết định về vấn đề lưu thông của cả mạng lưới giao thông Cầu bê tông cốt thép là loại cầu được sử dụng rộng rãi nhất trên thế giới và ở Việt Nam cầu bê tông cốt thép cùng chiếm tỷ lệ rất lớn lên tới trên 70% tổng số cầu Trong số các công trình cầu của nước ta thì cầu được xây dựng bằng bê tông cốt thép chiếm đa số và trong đó cầu bê tông cốt thép với kết cấu nhịp giản đơn chiếm trên 50% Do điều kiện lịch sử và điều kiện kinh tế của đất nước, nên số lượng cầu xây dựng bằng bê tông cốt thép nói chung và cầu bê tông cốt thép nhịp giản đơn nói riêng được xây dựng cũng khác nhau nên khả năng chịu lực của chúng cũng khác nhau

Sửa chữa, tăng cường và mở rộng mặt cắt ngang các công trình này để duy trì, nâng cao năng lực khai thác, phù hợp với mặt cắt ngang đường đã được mở rộng đã trở nên bức thiết trong quá trình lưu thông Trong những năm gần đây, tỉnh Tây Ninh đang rất chú trọng tới việc đầu tư xây dựng mới các cầu đã quá xuống cấp hoặc do tải trọng thiết kế và mặt cắt ngang cầu trước đây không còn đáp ứng được nhu cầu vận tải Tuy nhiên hiện nay vẫn còn rất nhiều cầu cũ có sức chịu tải kém, nhưng do kinh tế còn khó khăn không thể cùng một lúc thay thế tất cả các cầu cũ được; vấn đề cần đặt ra là phải nghiên cứu các biện pháp bảo dưỡng, duy tu, tăng cường khả năng chịu tải các cầu cũ như thế nào để đảm bảo phục vụ nhu cầu vận tải trước mắt, hạn chế tối đa các sự cố có thể xảy ra, ngăn chặn sự hư hỏng gia tăng

từng bước xây dựng kế hoạch thay thế các cầu yếu bằng những cầu mới nhằm đảm bảo khả năng vận tải của các phương tiện hiện có và xu hướng phát triển của các tải trọng lớn trong tương lai

Trong hiện tại và tương lai, phương tiện vận tải đường bộ phát triển nhanh về

số lượng, đa dạng về chủng loại, đặc biệt là xe siêu trường siêu trọng ngày càng phát triển về số lượng Với những tình trạng nêu trên làm cho việc hư hỏng, xuống cấp công trình cầu nói chung và cầu bê tông cốt thép nhịp giản đơn nói riêng xảy ra thường xuyên và phức tạp

Để nâng cao hiệu quả kinh tế và chủ động trong kế hoạch duy tu, bảo dưỡng, nâng cấp nhằm đảm bảo giao thông thông suốt đáp ứng được lưu lượng, tải trọng trong hiện tại và tương lai thì việc đánh giá năng lực khai thác và đưa ra giải pháp sửa chữa phù hợp có tầm quan trọng mang tính chiến lược quốc gia cần được đầu tư thích đáng cũng như sự phối hợp của nhiều cơ quan nghiên cứu kết hợp với các đơn

vị quản lý và sản xuất một cách hệ thống mới có thể giải quyết tốt

Trong điều kiện kinh tế - xã hội của đất nước còn nhiều khó khăn, cắt giảm đầu tư công, kỹ thuật công nghệ còn hạn chế thì việc nghiên cứu đưa ra những giải pháp kinh tế, đơn giản, phù hợp năng lực của công nhân và thiết bị, công nghệ hiện

có để sửa chữa, nâng cấp tải trọng và mở rộng mặt cắt ngang cầu nhằm khai thác tối

đa khả năng của các công trình cầu đang xuống cấp

B MỤC ĐÍCH ĐỀ TÀI

Nội dung nghiên cứu nhằm mục đích góp phần đưa công nghệ dự ứng lực ngoài kết hợp với công nghệ dự ứng lực trong trở nên phổ biến trong công tác nâng cấp mở rộng và tăng cường tải trọng khai thác của cầu bê tông cốt thép ở Tây Ninh với điều kiện đảm bảo khả năng chiụ tải, giúp người thiết kế có thêm công cụ để lựa chọn và đánh giá một cách đầy đủ hơn khả năng ứng dụng cũng như mức độ tăng cường khả năng chịu lực của kết cấu khi sử dụng công nghệ này ở Tây Ninh

C PHẠM VI, CƠ SỞ CỦA VIỆC NGHIÊN CỨU

Trong đề tài chủ yếu tập trung tìm hiểu các dạng và nguyên nhân chính dẫn đến hư hỏng để có biện pháp sửa chữa và nâng cấp tải trọng, kết hợp với mở rộng mặt cắt ngang của cầu cho phù hợp với mặt cắt ngang của phần đường trên tuyến đã

được nâng cấp nhằm nâng cao khả năng khai thác của toàn tuyến đường Nghiên cứu sửa chữa, nâng cấp cầu cũ tập trung vào việc tạo ứng suất sau bằng cáp dự ứng lực ngoài tiết diện trong kết cấu nhịp cầu dầm bê tông cốt thép trên đường ôtô

Cơ sở nghiên cứu của đề tài là dựa vào việc thu thập tài liệu, các số liệu qua những công trình thực tế trên địa bàn tỉnh Tây Ninh và các lý thuyết tính toán kết cấu theo quy trình hiện hành tại Việt Nam đưa ra những giải pháp sửa chữa gia cường cầu cũ, đồng thời sử dụng một số phần mềm ứng dụng hỗ trợ cho việc tính toán

D NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

Nghiên cứu tổng quan về hiện trạng cầu bê tông cốt thép trên địa bàn tỉnh Tây Ninh, các dạng hư hỏng và các biện pháp sửa chữa gia cường

Nghiên cứu những giải pháp thiết kế mở rộng và gia cường cầu cũ bằng dự ứng lực ngoài Trong đó bao gồm gia cường tổng thể (liên tục nhịp) và gia cường cục bộ

Áp dụng tính toán mở rộng và gia cường cầu Kênh Đông tại Km 9+950 nằm trên đường ĐT 782, huyện Gò Dầu – tỉnh Tây Ninh Mở rộng mặt cắt cầu từ 9m lên 13m Tính toán gia cường cầu theo 2 phương án: phương án gia cường cục bộ (gia cường từng nhịp riêng lẽ) và phương án gia cường tổng thể (liên tục nhịp) để đảm bảo tải trọng khai thác HL93 theo tiêu chuẩn 22TCN 272-05 So sánh hiệu quả của biện pháp gia cường bằng dự ứng lực ngoài giữaphương án gia cường cục bộ (gia cường từng nhịp riêng lẽ) và phương án gia cường tổng thể (liên tục nhịp)

Các cầu điển hình trên địa bàn tỉnh Tây Ninh: Cầu bản; cầu có nhịp dầm giản đơn lắp ghép mặt cắt chữ T có dầm ngang hoặc không có dầm ngang với chiều dài nhịp 12,5m; 18,6m; 24,7m được Viện thiết kế giao thông thiết kế được áp dụng rộng rãi trên các tuyến đường ô tô

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 nguyên đai bằng các cần cẩu 40 - 60 tấn, bánh xích

- Nhu cầu phát triển giao thông lớn, không những tăng lên về tải trọng, đồng thời còn tăng lên về quy mô tất cả các tuyến đường trên Quốc lộ cũng như Tỉnh lộ Một số các công trình trước đây được thiết kế với tải trọng thấp như H13, H18 (Tây Ninh có Cầu Sài Gòn 2: Tải trọng khai thác H13, cầu Kênh 2 tải trọng khai thác H18) thiết kế 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 nói riêng

1.2 SỬA CHỮA VÀ GIA CƯỜNG CẦU BÊTÔNG CỐT THÉP CŨ Ở TÂY NINH

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

- 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 cấu nhịp cầu bê tông cốt thép thường xuất hiện các vết nứt như sau:

+ Vết nứt thẳng đứng: xuất hiện ở vùng chịu kéo của các mặt cắt mômen uốn có giá trị tuyệt đối lớn

+ Vết nứt xiên: xuất hiện ở những mặt cắt có mômen và lực cắt cùng có giá trị lớn

+ 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 đầm Với các dầm BTCT dự ứng lực giản đơn

+ Vết nứt cục bộ: thường xuất hiện trên vị trí kế 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 bêtông và phát triển không có quy luật

+ 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 gỉ mạnh, các vết nứt này sẽ phát triển thành các vết vỡ mặt 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 dễ dẫn đến gỉ cốt thép làm nứt, vỡ bê tông

Hình 1.1 Kiểm định, đánh giá các cầu BTCT cũ trên địa bàn tỉnh Tây Ninh

Hiện tượng bê tông bị phong hóa, suy giảm chất lượng: Đây là hiện 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

Hình 1.2 Biển hạn chế tải trọng cầu Kênh Đông

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 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 yếu 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 chưa đạt yêu cầu so với thiết kế Sau khi thi công xong, hiện tượng nứt, vỡ, rổ tổ ong phổ biến Sau một thời gian sử dụng, đây là những vị trí làm xuống cấp công trình trong khai thác sau này

Vấn đề bảo dưỡng định kỳ hàng năm chưa thực sự được chú trọng Nhiều 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

Hình 1.3 Bảo dưỡng định kỳ hàng năm chưa thực sự được chú 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 nhiều 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

Hình 1.4 Hư hỏng khe co giãn

Sự hư hỏng của cầu bê tông cốt thép và bê tông dự ứng lực có thể do những nguyên nhân chính sau :

- Nguyên nhân do quá trình phá hủy vật liệu

- Nguyên nhân do thiết kế

- Nguyên nhân do thi công

- Nguyên nhân do quá trình sử dụng

Trong các nguyên nhân kể trên, nguyên nhân do thiết kế, nguyên nhân do thi công hoặc do quá trình sử dụng là những nguyên nhân không phải lúc nào cũng xảy

ra trên kết cấu công trình Sự hư hỏng của kết cấu nhịp cầu do các nguyên nhân này gây ra chủ yếu là các hư hỏng về nứt, công việc sửa chữa cầu trong trường hợp như vậy sẽ mang tính lựa chọn giải pháp sửa chữa kết cấu chứ không phải mang tính lựa chọn giải pháp vật liệu Đề tài sẽ đi sâu vào việc phân tích các nguyên nhân trên, để

từ đó làm cơ sở cho việc nghiên cứu tìm kiếm vật liệu và công nghệ sửa chữa phù hợp

1.2.2.1 Hư hỏng do quá trình phá hủy vật liệu

- Quá trình xuống cấp của BTCT

+ Cả bê tông và cốt thép đều chịu tác động mạnh mẽ của môi trường xâm thực xung quanh và sự chùng ứng suất theo thời gian đó làm cho BTCT xuống cấp

+ Sự xói mòn, mài mòn, va đập do xe cộ đi lại trực tiếp trên kết cấu, tác động

áp lực của bom mìn gây ra

+ Sự thay đổi nhiệt độ ngày, đêm, giữa các mùa và công trình bị cháy do hỏa hoạn làm thay đổi bản chất chịu lực của vật liệu

+ Sự hư hỏng do tính chất hóa lý: Sự phá hoại này do nguyên nhân bên ngoài lẫn bên trong bản chất của vật liệu gây nên

- Vì bị ngập nước thường xuyên hoặc theo chu kỳ nên một số thành phần của

bê tông bị nước mang ra ngoài đó làm tăng độ rỗng trong bê tông Tốc độ quá trình này tăng theo thời gian

- Anhydric sunfuaro trong không khí thấm vào bê tông làm giảm cường độ

và giảm tính kiềm của bê tông làm cho việc bảo vệ cốt thép của bê tông bị suy giảm

- Khí cacbonic trong khí quyển tác dụng với thành phần vôi của bê tông gây

ra sự cacbonnat hóa Hiện tượng này không làm giảm cường độ của bê tông nhưng làm giảm tính kiềm của nó tạo điều kiện cho sự ăn mòn cốt thép Hiện tượng này xảy ra khắp cả bề mặt xung quanh công trình nhất là bề mặt các vết nứt với độ mở rộng trên 0.3mm

- Sự phá hủy lý hóa của bê tông cũng xảy ra khi công trình nằm trong môi trường xâm thực như không khí bị ô nhiễm bởi khói bụi, các khí thải công nghiệp nhất là nguồn hóa chất có khí sunfuaro và clorua hoặc nước biển có nhiều muối clorua

- Sự có mặt của muối sunfat sẽ gây phản ứng hóa học với vôi và nhôm của xi măng gây ra các chất trương nở

- Tác động của các phản ứng hóa học giữa cốt liệu và chất kết dính mà người

ta gọi là alcali-silic hoặc phản ứng alcali Kết quả phản ứng tạo ra các chất nổ xung quanh cốt liệu gãy nứt

- Sự ăn mòn cốt thép trong bê tông

+ Cốt thép trong bê tông được bảo vệ bởi tính kiềm của xi măng Độ kiềm của xi măng PH >11 cốt thép sẽ được bảo vệ chống lại sự ăn mòn, nếu chỉ số PH giảm thì tính chủ động bị mất dần và sự ăn mòn phát triển

+ Do tác dụng của anhydric sunfuaro, do hiện tượng cacbonat hóa mà tính kiềm của bê tông giảm làm suy yếu khả năng bảo vệ cốt thép

+ Khả năng chống rỉ bị suy yếu cả khi chất lượng bê tông kém, độ rỗng lớn, chiều dày lớp bảo vệ không đủ, bề mặt có nhiều vết nứt

+ Sự rỉ cốt thép do có oxy, các ion CL-, SO-4 Thép bị oxy hóa tạo thành oxit sắt Fe2O3 hoặc muối khác của sắt

- Hậu quả của sự ăn mòn cốt thép:

+ Phát triển rỉ sắt, sắt nở gây trương nở thể tích rất mạnh làm cho bê tông mặt ngoài bị nứt vỡ, môi trường có điều kiện xâm thực dễ dàng, như vậy rỉ sắt lại càng phát triển mạnh

+ Giảm tiết diện chịu lực của thép, có khi làm đứt cốt thép

+ Độ dính kết giữa cốt thép và bê tông giảm dẫn đến sự kết hợp chịu lực giảm

Trong môi trường nước biển, các ion CL- xâm nhập vào các kết cấu bê tông cốt thép gây ăn mòn và trương nở cốt thép tạo ứng suất nội phá hủy kết cấu bê tông

Ăn mòn có thể tích lớn hơn thể tích các phản ứng tạo ra nó và đó là nguyên nhân làm nứt, trương nở bê tông

Bảng 1.1 Danh sách các dạng hư hỏng cơ bản STT Loại hư hỏng Tính chất ảnh hưởng đến cấu kiện Phương thức tính đến hư hỏng

và độ cứng

Tính đến kích thước thực tế của diện tích thép theo kết quả đo

2 Đứt các thanh cốt thép chịu Như trên Như trên

lực riêng rẽ hoặc các sợi

thanh uốn cong hoặc chổ

gián đoạn của chúng

Giảm khả năng chịu tải của dầm dưới tác động của lực cắt

Tính đến kích thước thực tế của mặt cắt bằng cách thực tế

Sự tơi xốp hóa bê tông Tính đến độ bền thực tế

Tính đến sự phân bố thực tế theo kết quả thực nghiệm

8 Các vết nứt theo viền ngoài

của sườn dầm với bản mặt

Giảm độ cứng và độ bền

Tính đến sự phân bố ứng lực thực tế của các dầm theo kết quả thử nghiệm

Tính đến sự phân bố ứng lực thực tế giữa các dầm theo kết quả thử nghiệm

hàn ở những chỗ riêng

Phá hủy điểm neo của các

chi tiết nối vào

Tính đến sự phân bố ứng lực thực tế giữa các dầm theo kết quả thử nghiệm

Tính đến diện tích thực tế của mặt cắt Nứt bê tông (mạng dày đặc)

hoặc kiềm hóa bê tông chung Tính đến độ bền thực tế của bê tông

Vỡ bê tông ở mép dưới bản

mặt ở các panel Chỉ tính đến cốt thép (không tính bê tông)

Ăn mòn cốt thép chịu lực

hoặc hỏng hóc cơ học chung

Tính đến diện tích thực tế của cốt thép Sập phần cách của bản mặt ở panel bị sập Loại bỏ sự làm việc của các bản này

Tính đến khi xác định độ nứt theo kết quả thử nghiệm

14

Các vết nứt thẳng đứng bởi

tĩnh tải trên sườn của dầm dự

ứng lực ở đoạn chịu kéo:

Vết ti ti đơn lẻ

Với độ mở 0.1 mm hoặc lớn

hơn Giảm độ cứng (độ vòng xây dựng)

Tính đến sự phân bố thực tế của ứng lực theo kết quả thử nghiệm

15 Các vết nứt dọc theo cốt thép

dự ứng lực của dầm với các

dấu hiệu bị ăn mòn:

Đơn lẻ và đứt quãng

Liên tục

16

Các vết nứt ở vùng trụ của

nhịp dầm liên tục (theo quy

luật, ở phần trên với đầu ra

đến bản mặt)

Thay đổi trang thái ứng suất vì lún trụ

Tính đến sự phân bố lại thực tế của ứng lực theo chiều dài dầm

17 Bề mặt không bằng phẳng,

hư hỏng bề mặt

Tăng tác động động lực học của hoạt tải lên cấu kiện chịu lực

Tính đến việc tây hệ

số xung kích

18 Lún đầu cầu, phá hủy khe co

1.2.2.2 Hư hỏng do thiết kế

Các sai sót do công tác khảo sát thiết kế cũng là những nguyên nhân quan trọng dẫn đến hư hỏng công trình Sai lầm do thiết kế biểu hiện ở hai dạng sau:

- Giải pháp kết cấu không hợp lý

- Giả thiết tính toán không phù hợp với sự làm việc thực tế ở công trường

Hư hỏng do thiết kế chủ yếu là sự lún lệch của nền móng, của trụ, co ngót không đều giữa các bộ phận và sự xuất hiện vết nứt ở các mố, trụ, kết cấu nhịp

1.2.2.3 Hư hỏng do quá trình thi công

Những hư hỏng lớn, nhiều thường gặp trong cầu BTCT chủ yếu liên quan đến quá trình thi công Nguyên nhân xảy ra sự cố thường do thi công và hậu quả có thể nhận thấy ngay khi công trình đang hoặc vừa thi công xong

Những sai sót trong quá trình thi công là nguyên nhân phổ biến và rất quan trọng làm giảm chất lượng kết cấu, giảm tuổi thọ chịu tải Các sai sót này khá đa dạng, nó thể hiện ở nhiều mức độ khác nhau

- Chất lượng bê tông không đạt do dùng vật liệu lẫn nhiều tạp chất, có chất

ăn mòn, dùng đá cát dễ bị kiềm hóa, dùng xi măng không chịu được môi trường ăn mòn

- Quá trình sản xuất bê tông: không đúng thành phần cấp phối, trộn chưa đều, chưa đạt độ nhuyễn cần thiết, thời gian vận chuyển lâu, bị phân tầng

- Quá trình đổ bê tông: Ván khuôn bị bẩn, ván khuôn hở làm mất nước trong

bê tông, đầm bê tông không đạt độ chặt yêu cầu dẫn đến bê tông bị rỗ, bị rỗng,

chiều cao đổ bê tông quá lớn dẫn đến bê tông bị phân tầng Lớp bê tông bảo vệ quá mỏng do thiếu co kê, bảo dưỡng bê tông kém, đặt cốt thép trong bê tông thiếu hoặc sai vị trí

- Tháo ván khuôn sớm dẫn đến biến dạng quá lớn, thậm chí gây nứt

- Thiếu cẩn thận khi vận chuyển các cấu kiện đúc sẵn

- Sai sót khi bơm vữa vào trong ống dẫn các cốt thép dự ứng lực tạo điều kiện rỉ cáp dự ứng lực

- Sai sót do kéo căng các bó thép dự ứng lực như trượt chốt treo, luồn neo, căng kéo không đủ lực, đứt cục bộ các sợi thép…

- Sai sót về bảo vệ kín nước đầu neo…

1.2.2.4 Hư hỏng do quá trình khai thác

- Khai thác công trình quá sớm

- Thay đổi chế độ khai thác, quá tải do xe nặng qua lại nhiều lần, đặc biệt hoạt tải tăng nhiều lần về số lượng và về tải trọng

- Va chạm với các phương tiện giao thông

- Tác động của nhiệt độ: công trình bị cháy bê tông bị nổ vỡ do giãn nở nhiệt, vật liệu bị thay đổi theo hướng xấu hơn so với thiết kế

- Công tác bảo dưỡng, sửa chữa không được thực hiện một cách thường xuyên, kịp thời dẫn đến hư hỏng dây chuyền và phát triển ngày càng nhanh, mức độ ngày càng trầm trọng

- Do sự thay đổi môi trường như chế độ nước, chế độ dòng chảy, ô nhiễm gây ăn mòn bê tông

- Tăng tĩnh tải quá mức do lớp phủ mặt cầu

Tất cả các nguyên nhân trên góp phần làm cho chất lượng kết cấu ban đầu đó kém lại, giảm dần thời gian dẫn đến những hư hỏng trong công trình làm cho tuổi thọ công trình thấp, điều kiện khai thác khó khăn hoặc bị hạn chế, thậm chí có công trình bị phá hoại hoàn toàn gây hậu quả nghiêm trọng

Để việc khôi phục sửa chữa công trình được tốt, cần có kế hoạch khảo sát kiểm tra theo dõi thường xuyên, đánh giá phân loại hư hỏng, tìm đúng nguyên nhân thì lúc đó mới đưa ra được phương pháp sửa chữa có hiệu quả

1.2.2.5 Đánh giá mức độ hư hỏng

- Hư hỏng trầm trọng nguy hiểm cần phải thay thế: ở mức độ này các biểu hiện của sự hư hỏng như sau: Có vết nứt xiên gần đầu dầm hoặc vết nứt thẳng đứng giữa dầm chạy suốt từ đáy dầm lên sát bản cánh cả hai bên và có độ mở rộng > 1mm với khuyết tật này thường xuất hiện rung động lớn, bất thường của kết cấu nhịp khi có tải trọng đi qua

- Cũng với vết nứt như vậy nhưng chỉ ở một bên dầm và có độ mở rộng

>3mm sâu quá tầng bảo hộ vào trong thân dầm

- Bê tông mủn rộp nhiều, tróc lở lớn, nhiều chỗ cường độ bê tông giảm lộ nhiều cốt thép, cốt thép bong khỏi bê tông, rỉ mủn > 32% tiết diện

- Kiểm toán thấy thiếu năng lực trên 10% so với tải trọng khai thác

- Những kết cấu nhịp có các dầm hư hỏng ở mức độ này thì phải được thay thế bằng kết cấu mới

- Loại hư hỏng có thể khắc phục sửa chữa, tăng cường để tiếp tục khai thác + Hư hỏng nhẹ: Chất lượng bê tông còn khá tốt, ít bị phong hóa và cacbonat hóa, các vết nứt mở rộng <0.2mm mà không phát triển, không làm lộ cốt thép, cường độ chịu nén của bê tông còn đạt khoảng trên 200kg/cm2 và khá đồng đều ở mọi khu vực Qua kiểm toán thấy còn đủ khả năng chịu lực theo tải trọng khai thác

Nếu các kết cấu nhịp hư hỏng thuộc loại này thì chưa cần sửa chữa mà chỉ cần duy trì chế độ bảo dưỡng, duy tu tốt, quét sơn chống vết nứt chống xâm thực để tăng tuổi thọ công trình

+ Hư hỏng vừa: Chất lượng bê tông kém hơn loại trên, bê tông có nhiều dấu hiệu phong hóa, cacbonat nhẹ, cường độ đạt từ 150-200kg/cm2 và không đồng đều, các vết nứt có độ mở rộng >0.2mm nhưng không quá 1mm đó để lộ một số cốt thép đai cá biệt lộ cốt thép chủ lớp ngoài, cốt thép có bị rỉ nhưng chưa đáng kể Qua kiểm toán vẫn còn xấp xỉ đạt khả năng chịu tải

Nếu các kết cấu nhịp hư hỏng thuộc loại này thì cần phải sửa chữa gia cường lại để đảm bảo khả năng chịu tải trong quá trình khai thác

CƯỜNG CẦU BÊ TÔNG CỐT THÉP HIỆN NAY

Các biện pháp sửa chữa cầu bê tông cốt thép hư hỏng đã áp dụng ở nước ta

từ trước tới nay bao gồm rất nhiều phương pháp,tùy theo mục đích sửa chữa là để nâng tuổi thọ và độ tin cậy hay để khôi phục hoặc tăng cường khả năng chịu lực của kết cấu Mỗi biện pháp có những ưu điểm nhất định tuy nhiên cũng tồn tại nhiều hạn chế, phụ thuộc vào mức độ đầu tư và khả năng của đơn vị thi công Sau đây là một vài biện pháp sửa chữa điển hình đã áp dụng tại Việt Nam

1.3.1 Biện pháp bê tông phun

Phương pháp phun chỉ là một trong các phương pháp đổ bê tông và sản phẩm cũng có các tính chất như loại bê tông được thi công theo cách thông thường Do ưu điểm là bê tông phun dính bám tốt với bề mặt nên phương pháp nay được áp dụng nhiều trong sửa chữa gia cố các kết cấu cũ nhằm mục đích:

- Tạo lớp áo dày bảo vệ bề mặt bê tông cũ và cùng tham gia chịu lực

Hình 1.5 Công nghệ Bê tông phun

* Phun bê tông khô: phương pháp này có lâu đời hơn, người ta trộn hạt cốt liệu nhỏ ở độ ẩm tự nhiên với xi măng trong máy trộn rồi nhờ áp lực khí nén đưa hỗn hợp đến vòi phun Tia vòi phun có nước được dẫn đến và cùng phun ra Ưu điểm của phương pháp này là hạn chế được co ngót và nứt, cường độ và lực dính bám đều tăng, lượng xi măng không nhiều và tỷ lệ N/X thấp Dùng vòi khô có thể làm tăng tốc độ phun (tốc độ phun tối đa đạt đến 70-80m/s), do đó vật liệu dễ đi sâu

vào các vị trí cần thiết Tuy nhiên với phương pháp này, cần phải biết điều chỉnh lượng nước tại đầu ra ở mức vừa đủ cho quá trình thủy hóa và hạn chế gây co ngót, không làm mất xi măng ở dạng bụi

* Phun bê tông ướt: hỗn hợp bê tông được rót vào trong máy, ở đó nó bị ép vào trong ống dẫn nhờ một máy bơm Tại đầu vòi phun có khí nén được dẫn đến để cùng phun vào bề mặt đón Ưu điểm của phương pháp này là độ ướt của bê tông đều hơn, dễ tạo ra độ dẻo cần thiết Song cả 2 ưu điểm này đều làm tăng độ co ngót

Do có độ dẻo nên tốc độ di chuyển chậm hơn và khó phun sâu Trường hợp này lượng xi măng nhiều hơn, tốc độ phun chậm hơn, chỉ từ 20-30m/s Yêu cầu đối với phương pháp này là cần phải có thiết kế cấp phối, trong đó ổn định lượng nước, cỡ cốt liệu, tỷ lệ N/X, loại xi măng và loại phụ gia

Ở nước ta, biện pháp phun bê tông được áp dụng chủ yếu trong việc sửa chữa gia cố các hầm đường sắt bị hư hỏng nặng Hiệu quả của phương pháp này là sự dính bám giữa cốt thép với bê tông phun cũng giống như trong các trường hợp bê tông được thi công theo các cách thông thường, nó bảo đảm khả năng bảo vệ cốt thép, đảm bảo sự làm việc chung với phần kết cấu cũ Bê tông phun cũng tạo ra lớp

áo bảo vệ cho chống thấm cho kết cấu cũ Sự truyền nội lực từ phần kết cấu cũ sang lớp bê tông mới phun vào được đảm bảo nhờ sự dính bám trên bề mặt đón

Tuy nhiên, biện pháp này có một số nhược điểm; đó là nếu sử dụng các vật liệu truyền thống (xi măng thường), thì việc nứt do co ngót là không thể tránh khỏi đối với kết cấu Mặt khác, quá trình phun dù khô hay ướt đều đòi hỏi thiết bị kỹ thuật lớn và quy trình công nghệ chặt chẽ, hao hụt vật liệu trong quá trình thi công tương đối lớn, tới 30% số vật liệu sử dụng và còn gây ảnh hưởng tới môi trường của khu vực thi công Không thể thực hiện trong điều kiện thông xe bình thường

1.3.2 Biện pháp sửa chữa dán bản thép ngoài

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 bản thép được 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

- Để bảo đảm 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 đến chất lượng và hiệu quả của việc dán keo, nếu như ta đã tạo ra được 1 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 epoxy, 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 Việc thực hiện tạo bu lông chôn sẵn trong

bê tông là rất khó thực hiện vì thông thường các bản thép ở đáy dầm (nơi có mô men dương là lớn nhất) Khi đó việc khoan lỗ bu lông 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 số vấn đề rất khó thực hiện trong quá trình thi công nhưng có thể khắc phục bằng cách siêu âm trước khi khoan cấy, tránh được các cốt thép chủ chịu lực

1.3.3 Biện pháp tăng cường sửa chữa bằng tấm sợi cacbon

Nguyên lý cơ bản của phương pháp dán tấm sợi cabon bổ sung lên trên bề măt bê tông của kết cấu cũ để tăng cường hoặc sửa chữa cho kết cấu Tấmsợi cacbon được dán vào vùng chịu kéo của mặt cắt (có trường hợp dán vào cả phần chịu nén)

Tấm sợi cacbon

Hình 1.6 Công nghệ gia cường bằng vật liệu composite

- Bảo vệ kết cấu, ngăn chặn sự phát triển của các hư hỏng bể mặt bê tông

- Khôi phục lại hoặc tăng cường khả năng chịu lực của kết cấu

- Thay thế các cốt thép đã bố trí nhưng không đủ hoặc bị sai vị trí cần thiết Chất lượng và hiệu quả của phương pháp tấm sợi cacbon cũng giống như dán bản thép nó phụ thuộc vào:

- Chất lượng vật liệu keo

- Công nghệ dán ép tấm sợi vào kết cấu

Để phương pháp dán tấm sợi cacbon có hiệu quả thì vật liệu cần thỏa mãn các điều kiện kỹ thuật:

- Bê tông của kết cấu được tăng cường: phải đủ khả năng chống cắt trượt Phải kiểm tra cường độ này ở hiện trường Lớp bê tông bị suy yếu phải được loại bỏ bằng bàn chải sắt, phun nước cao áp để bề mặt bê tông được sạch

- Keo dán: Dùng keo epoxy trên cơ sở nhựa epoxy được pha chế do thí nghiệm lựa chọn Chiều dày màng keo sau khi ép dán là 0,5-1mm

- Tấm sợi cacbon: Là tấm polyme được gia cố bằng sợi cacbon không bị ăn mòn, cường độ rất cao, nhẹ, chiều dài không hạn chế Khối lượng thể tích 1,6g/cm3

, khả năng kháng nhiệt độ lớn hơn 150oC, hàm lượng thể tích sợi >68%

Dạng vải dệt Dạng tấm Dạng thanh

Hình 1.7 Vật liệu composite

* Trình tự và công nghệ thi công

Bước 1: Công tác chuẩn bị

- Chuẩn bị vật liệu cần thiết đến vị trí thi công Làm đà giáo treo để thi công

Đà giáo này được treo trong suốt quá trình thi công

Bước 2: Xử lý vết nứt trên dầm chủ

- Khảo sát đo đạc phân loại các vết nứt Chỉ tiến hành phun sâu các vết nứt

đó dừng lại hoặc phát triển rất ít

- Khoan lổ các vết nứt của bê tông: các lỗ khoan phải đảm bảo thông với vết nứt, không gây vỡ xung quanh lỗ khoan

- Rửa sạch bằng máy nén khí thổi vào lỗ khoan hoặc có thể dùng giẻ thấm axeton để lau

- Gắn ống vào lỗ khoan và bơm keo epoxy vào vết nứt

Bước 3: Tạo phẳng cho bề mặt kết cấu trước khi dán tấm cacbon

- Đục bỏ lớp bê tông bị phong hóa phía dưới đáy các phiến dầm

- Dựng bàn chảy sắt cọ xát nhiều lần suốt dọc đáy các dầm để tẩy sạch cốt thép và phần bê tông bị phong hóa

- Khoan bê tông để chôn các bu lông treo gông để đỡ vữa epoxy

- Làm sạch đáy dầm bằng cách phun nước áp lực cao

- Làm khô bê tông bằng nhiệt, dùng đèn xì lửa

- Dùng bê tông polyme để khôi phục lại kích thước ban đầu của đáy dầm

- Sửa sang lại đáy các phiến dầm cho thật phẳng để chuẩn bị dán tấm cacbon vào đáy dầm

Bước 4:

- Bôi keo epoxy vào đáy dầm và đặt tấm bê tông đã được chuẩn bị lên bề mặt

bê tông đã thiết kế, dựng con lăn cao su ấn chặt tấm cacbon lên trên chất kết dính cho tới khi vật liệu bị nén chặt trào ra hai bên của tấm laminat

- Làm sạch chất kết dính epoxy bị dư

* Kiểm tra chất lượng:

Mẫu nên được thực hiện tại công trình để kiểm tra tốc độ bảo dưỡng và cường độ cuối cùng của chất kết dính đó được sử dụng Đo cường độ nén và cường

độ kéo uống sau khi bảo dưỡng

Giá trị tiêu chuẩn trung bình sau khi bảo dưỡng 7 ngày ở nhiệt độ +23oC, cường độ nén >75 KG/cm2, cường độ kéo uốn >35 KG/cm2

Giá trị này có thể khác biệt lên đến 20% tuỳ thuộc vào chất lượng công việc, sau đây là những yếu tố quan trọng nhất có ảnh hưởng đến đặc tính cơ học:

- Không khí bị bít lại bên trong

- Nhiệt độ và thời gian bảo dưỡng

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 cường kết cấu bằng tấm composite trong điều kiện thi công thông thường không cho hiệu quả làm giảm bề rộng vết nứt và 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 vết nứt và tăng cường khả năng chịu tĩnh tải)

1.3.4 Biện pháp đặt thêm cốt thép dự ứng lực ngoài

Kết cấu bê tông cốt thép dự ứng lực ngoài là một tiến bộ đã được áp dụng ở Việt Nam Cầu Chữ Y, cầu Tân Thuận, cầu Sài Gòn, cầu Niệm và một số cầu bê tông dự ứng lực ở Miền Nam bị đứt cáp ngang đã được sửa chữa gia cường bằng biện pháp này

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 khảnăng chịu uốn và chịu cắt hoặc để tăng thêm tải trọng khai thác so với tải trọng thiết kế

Các yêu cầu để thực hiện kỹ thuật dự ứng lực ngoài bao gồm:

- Cốt thép dự ứng lực để tăng cường (tao cáp, thanh căng cường độ cao);

- Ống chứa cáp dự ứng lực bằng polyetylen hoặc thép;

- Mấu neo;

- Neo cuối, neo trung gian và các thiết bị nối cáp;

- Vật liệu vữa tiêm lấp lòng ống

Hình 1.9 Neo dầm ngang cáp dự ứng lực 12,7mm

Hình 1.10 Tăng cường cáp dự ứng lực ngoài dọc cầu cho cầu BTCT

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 vì thế sẽ được nâng lên một cách có hiệu quả Tuy nhiên, phương pháp này