NGHIÊN CỨU HIỆU QUẢ CÁC BIỆN PHÁP GIA CƯỜNG SỨC KHÁNG UỐN SỬ DỤNG BẢN THÉP VÀ MỞ RỘNG TIẾT DIỆN BẰNG THỰC NGHIỆM VÀ MÔ HÌNH SỐ. LUẬN VĂN THẠC SĨ

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TRẦN TRUNG NHÂN NGHIÊN CỨU HIỆU QUẢ CÁC BIỆN PHÁP GIA CƯỜNG SỨC KHÁNG UỐN SỬ DỤNG BẢN THÉP VÀ MỞ RỘNG TIẾT DIỆN BẰNG THỰC NGHIỆM VÀ MÔ HÌNH SỐ L

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

TRẦN TRUNG NHÂN

NGHIÊN CỨU HIỆU QUẢ CÁC BIỆN PHÁP GIA CƯỜNG SỨC KHÁNG UỐN SỬ DỤNG BẢN THÉP VÀ MỞ RỘNG TIẾT DIỆN BẰNG THỰC NGHIỆM VÀ MÔ HÌNH SỐ

LUẬN VĂN THẠC SĨ

KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG

Đà Nẵng – Năm 2017

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

TRẦN TRUNG NHÂN

NGHIÊN CỨU HIỆU QUẢ CÁC BIỆN PHÁP GIA CƯỜNG SỨC KHÁNG UỐN SỬ DỤNG BẢN THÉP VÀ MỞ RỘNG TIẾT DIỆN BẰNG THỰC NGHIỆM VÀ MÔ HÌNH SỐ

Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng Công trình giao thông

Mã số: 60.58.02.05

LUẬN VĂN THẠC SĨ

KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS CAO VĂN LÂM

Đà Nẵng – Năm 2017

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

CAM ĐOAN ii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT vi

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC BẢNG vii

DANH MỤC CÁC HÌNH viii

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Đối tượng nghiên cứu của đề tài 3

3 Phạm vi nghiên cứu 3

4 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài 3

5 Phương pháp nghiên cứu 3

6 Kết cấu của đề tài: 4

Chương 1 - TỔNG QUAN VỀ CÁC BIỆN PHÁP GIA CƯỜNG 6

1.1.Tổng quan về cầu BTCT thường 6

1.2.Các biện pháp gia cường của cầu cũ: 7

1.2.1 Gia cường bằng tăng cường tiết diện 7

1.2.2 Gia cường bằng dán bản thép 10

1.3.Xu hướng áp dụng của các biện pháp gia cường 12

1.4.Những vấn đề còn gặp phải của công tác sửa chữa, gia cường cầu: 12

Chương 2 - CƠ SỞ LÝ THUYẾT 14

2.1 Phương pháp tính toán truyền thống: 14

2.1.1 Các giả thiết 14

2.1.2 Tính toán dầm chưa gia cường: 14

2.1.3 Tính toán dầm gia cường sức kháng uốn bằng bản thép 16

2.1.4 Tính toán dầm gia cường bằng tăng cường tiết diện: 16

2.2 Tính toán bằng phương pháp phần tử hữu hạn 16

2.2.1 Cơ sở tính toán theo phương pháp phần tử hữu hạn 16

2.2.2 Cơ sở lý thuyết tính toán bằng phần mềm Abaqus 17

2.3 Bài toán tính toán gia cường: 18

2.3.1 Cơ sở quy đổi: 18

2.3.2 Kích thước quy đổi dầm thí nghiệm 18

2.4 Tính toán gia cường dầm thực tế bằng phương pháp truyền thống: 20

2.4.1 Sức kháng uốn dầm chưa gia cường (0,5HL93): 21

2.4.2 Sức kháng uốn dầm gia cường bằng bản thép (0,65HL93): 21

2.4.3 Sức kháng uốn dầm gia cường khi mở rộng tiết diện (0,65HL93): 21

2.5 Tính toán dầm thí nghiệm bằng phương pháp truyền thống: 22

2.5.1 Sức kháng uốn dầm thí nghiệm khi chưa gia cường: 22

2.5.2 Sức kháng uốn dầm thí nghiệm khi gia cường bằng bản thép: 22

2.5.3 Sức kháng uốn dầm thí nghiệm khi gia cường bằng mở rộng tiết diện: 22 2.6 Tính toán dầm thí nghiệm bằng phần mềm Abaqus: 23

Chương 3 - BÀI TOÁN THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ GIA CƯỜNG 31

3.1 Cơ sở của bài toán thực nghiệm: 31

3.2 Quá trình tiến hành thực nghiệm 32

3.2.1 Cấu tạo dầm thí nghiệm 32

3.2.2 Quá trình chế tạo dầm thí nghiệm 32

3.2.3 Quá trình nén tạo nứt dầm 35

3.2.4 Quá trình gia cường 37

3.2.5 Quá trình gia tải nén phá hủy 39

3.3 Kết quả thực nghiệm 42

3.3.1 Ứng suất, độ võng quá trình nén tạo nứt: 43

3.3.2 Xét dầm đối chứng: 44

3.3.3 Dầm gia cường dán bản thép: 45

3.3.4 Dầm gia cường mở rộng tiết diện: 46

3.4 So sánh đánh giá hiệu quả giữa thực nghiệm, lý thuyết và phần mềm Abaqus 47

3.5 Kết luận 49

KẾT LUẬN 50 TÀI LIỆU THAM KHẢO

QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (Bản sao)

“NGHIÊN CỨU HIỆU QUẢ CÁC BIỆN PHÁP GIA CƯỜNG SỨC KHÁNG UỐN SỬ DỤNG BẢN THÉP VÀ MỞ RỘNG TIẾT DIỆN BẰNG THỰC

NGHIỆM VÀ MÔ HÌNH SỐ”

Học viên: Trần Trung Nhân

Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng Công trình giao thông

Khóa: 31 Trường Đại học Bách khoa – ĐHĐN

Tóm tắt - Việc đầu tư cho cơ sở hạ tầng là nhu cầu cần thiết để thúc đẩy sự phát triển kinh tế

Nhưng nếu muốn nâng tải trọng cầu thì phải xây mới đó là điều rất lãng phí nếu cầu còn sử dụng tốt và chỉ một vài cấu kiện trong toàn bộ kết cấu không đảm bảo sức chịu tải khi tăng tải trọng, vì vậy việc tăng cường gia cường những kết cấu đó rất được chú trọng Trong đó dầm

là cấu kiện phổ biến nhất Nghiên cứu này được đề xuất cho biện pháp gia cường dầm cầu bê tông cốt thép thường bằng hai phương pháp: dán bản thép và mở rộng tiết diện Từ kết quả nghiên cứu so sánh khả năng chịu lực khi tăng tải trọng, nhầm chọn ra một phương pháp phù hợp nhất đối với từng địa phương và từng trường hợp khác nhau Ở phần nghiên cứu này chúng ta nén tạo nứt dầm trước khi gia cường để mô phỏng gần đúng với thực tế sự làm việc của dầm cầu bê tông cốt thép cũ Khi làm việc có cả 3 phương pháp: tính gia cường bằng lý thuyết cổ điển, bằng phần mềm Abaqus và kiểm chứng bằng thực nghiệm sẽ cho ta nhiều kết quả, từ đó có thể xác định được phương pháp gia cường tốt nhất và cách thiết kế gia cường chính xác nhất khi cần

Từ khóa – Biện pháp gia cường; bê tông cốt thép thường; dán bản thép; mở rộng tiết diện;

thực nghiệm

“STUDY ON THE EFFECTIVENSS OF BENDING RESISTANCE

STRENGTHENING BY STEEL PLATES AND CROSS SECTION EXTENSION

WITH EMPIRICAL MODEL AND ABAQUS SOFTWARE”

Abstract - Infrastructural investment is a vital need for acceleration of economic

development But it would be a huge waste for construction of new bridge if we only want to increase bridge load, in case where bridge is in good operational condition except few structural components could not meet the load increment requirement As such, resistance strengthening for steel structures is utmost important while girders are most common items This study aims to propose bridge girder strengthening method for normal reinforced concrete bridges by two techniques: steel plate adherence and cross section expansion Based on the comparative outcomes when studying load resistance capacity during load increment, it would

be able to select one best and suitable method depending on the location and specific case In this study, we will create a crack at a girder by compressing prior to strengthening in order to simulate the actual working girder of an old normal reinforced concrete bridge We will get various outputs from three working techniques: strengthening theoretical calculation, by Abaqus software and verification of experimental model, that would help to determine which one is best strengthening method and most accurate design for strengthening when necessary

Key words - strengthening method, reinforced concrete, steel plate adherence, cross-section

expansion, experimental model

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

BTCT : Bê tông cốt thép DƯL : Dự ứng lực ĐBVN : Đường bộ Việt Nam GTVT : Giao thông vận tải PPPTHH : Phương pháp phần tử hữu hạn PTVPTP : Phương trình vi phân từng phần TCN : Tiêu chuẩn ngành

TCTD : Tăng cường tiết diện TTGH CĐ : Trạng thái giới hạn Cường độ TTGH SD : Trạng thái giới hạn Sử dụng

DANH MỤC CÁC BẢNG

Số hiệu

2.4 So sánh kết quả tính toán khi nâng tải trọng lên 0,65HL93 21 2.5 Quy đổi kích thước vật liệu gia cường theo dầm thí nghiệm 22 2.6 So sánh kết quả tính toán theo lý thuyết cổ điển khi tải trọng

2.7 So sánh kết quả lý thuyết và phần mềm Abaqus 29

DANH MỤC CÁC HÌNH

Số hiệu

1.2 Hình ảnh thực tế gia cường bằng tăng cường tiết diện 9 1.3 Tăng cường khả năng chịu uốn của dầm bê tông cốt thép 10

2.2 Mô hình tính toán gia cường sức kháng uốn bằng dán bản thép 16

2.23 Phổ ứng suất trong dầm gia cường bản thép 29

3.2 Kích thước và bố trí cốt thép dầm thí nghiệm 32

3.10 Kiểm tra dầm trước khi nén và đánh số thứ tự 35

3.12 Dán Strain gage đo biến dạng và nối với máy vi tính hiển thị 36 3.13 Tìm đo vết nứt, vẽ và ghi lại giá trị lực nét tạo nứt 36

3.15 Tạo nhám chuẩn bị bề mặt tiếp xúc g/c mở rộng tiết diện 38

3.18 Lắp đặt ván khuôn, cốt thép và đổ bê tông 39 3.19 Các loại thiết bị sử dụng trong thí nghiệm nén phá hủy 40 3.20 Lắp đặt đồng hồ chuyển vị và dây rung đo biến dạng 40 3.21 Tiến hành gia tải ghi số liệu và tìm vết nứt 41

Số hiệu

phương pháp gia cường khi gia tải đến cấp tải 3,4T (dầm đối

chứng phá hủy ở tải 3,6T)

3.38 Quan hệ tải trọng – độ võng đo bằng thực nghiệm của các

phương pháp gia cường ở cấp tải phá hủy

48

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Việt Nam có điều kiện thời tiết phức tạp, bất lợi cho công trình xây dựng nói chung và kết cấu bê tông cốt thép nói riêng Xét tỉnh Trà Vinh, sự xâm thực mạnh của môi trường gây ra hiện tượng rỉ thép, bong tróc lớp bê tông bảo vệ và làm giảm sức chịu tải của hệ thống kết cấu chịu lực bằng bê tông cốt thép Cùng với sự phát triển nhanh chóng của nền kinh tế quốc dân, thì sự phát triển của các ngành nghề nói chung, đời sống người dân nói riêng cũng được nâng cao, đòi hỏi sự phát triển của cơ sở hạ tầng kỹ thuật phù hợp trong đó có mạng lưới giao thông Để phát triển mạng lưới hạ tầng giao thông, sửa chữa và nâng cấp thường là giải pháp hữu hiệu vì việc thay mới hàng loạt công trình đòi hỏi khoản tài chính rất lớn, khó có thể đáp ứng được Việc nghiên cứu các giải pháp công nghệ sửa chữa, gia cường để duy trì và phục hồi sự làm việc bình thường của kết cấu công trình cầu bằng bê tông cốt thép là một yêu cầu cấp thiết Vì vậy, cần có nhiều nghiên cứu, đánh giá đưa ra biện pháp gia cường tối ưu nhằm đảm bảo hiệu quả kinh tế, kỹ thuật Nghiên cứu này so sánh, đánh giá hiệu quả gia cường sức kháng uốn khi sử dụng biện pháp gia cường dán bản thép và mở rộng tiết diện đối với cầu BTCT thường dựa trên kết quả thực ngiệm và kết từ phần mềm Abaqus

Hình 1: Cần thiết của việc nghiên cứu gia cường

Tính đến năm 2014, theo báo cáo của Tổng cục ĐBVN, hệ thống quốc lộ nước ta hiện có tổng chiều dài trên 19.000 km, trong đó có hơn 4.700 cây cầu do Tổng cục Đường bộ quản lý [1] Theo thống kê sơ bộ, toàn quốc có 1.672 cây cầu lạc hậu về chức năng khai thác cần phải nâng cấp, cải tạo xây dựng mới, trong đó, có 566 cầu

được đánh giá là yếu [1] Có 45 cầu cần được sửa chữa ngay trong giai đoạn 2012 -

2015, 262 cầu cần sửa chữa lớn giai đoạn 2015 - 2020

Hình 2: Hiện trạng cầu ở Việt Nam năm 2014 theo báo cáo của Tổng cục ĐBVN (Nguồn http://drvn.gov.vn)

Nguyên nhân chủ yếu là do đa số các cây cầu được xây dựng từ lâu (trước 1954) mang quy mô bé, cường độ vận tải thấp, chịu ảnh hưởng của chiến tranh… công tác duy tu, bảo dưỡng, vận hành khai thác chưa được chú trọng, xe quá tải ngày càng nhiều Bên cạnh đó, nhiều cây cầu BTCT cũ được xây dựng sau này cũ đã xuất hiện các hư hỏng như xuất hiện các vết nứt, bị phá hủy tầng bảo hộ hay hư hại các liên kết ngang Vì vậy cũng không đảm bảo điều kiện an toàn cho vận tải Trong khi nhu cầu vận tải trên toàn quốc ngày càng tăng nhanh, tải trọng của các phương tiện qiao thông ngày càng tăng thì việc khả năng khai thác sử dụng của các cây cầu cũ này rõ ràng là không còn đảm bảo

Hình 3: Xe quá tải qua cầu yếu

Trước thực trạng đó, việc nghiên cứu hiệu quả các biện pháp gia cường nhằm nâng cao khả năng chịu tải của cầu cũ đặc biệt là cầu bê tông cốt thép thường ở nước

ta hiện nay là rất cần thiết bởi số lượng cầu bê tông cốt thép thường chiếm tỉ lệ khá lớn

và giải quyết được bài toán giữ vững trạng thái kỹ thuật của mạng lưới cầu trên đường

ô tô trong điều kiện nguồn nhân sách hạn hẹp như hiện nay việc nâng cấp sửa chữa, gia cường cầu cũ thường nhằm các mục đích:

- Tăng cường khả năng chịu uốn

- Tăng cường sức kháng cắt

- Tăng cường độ cứng của cầu, giảm độ võng, …

Trong đó, việc gia cường nhằm tăng cường sức kháng uốn đóng một vai trò hết sức cần thiết và quan trọng trong công tác gia cường sửa chữa cầu cũ Cho đến hiện nay, để đi tìm câu trả lời cho những vấn đề sau luôn là vấn đề khó trong công tác duy

tu sửa chữa cầu:

- Lựa chọn biện pháp gia cường nào là hiệu quả?

- Hiệu quả sau khi gia cường là bao nhiêu?

- Tương quan giữa tính toán lý thuyết và thực nghiệm là như thế nào?

Để giải quyết những vấn đề trên cần phải có những nghiên cứu chi tiết kết hợp

giữa lý thuyết và thực nghiệm Do đó, em chọn đề tài : “Nghiên cứu hiệu quả các biện pháp gia cường sức kháng uốn sử dụng bản thép và mở rộng tiết diện bằng thực nghiệm và mô hình số”

2 Đối tượng nghiên cứu của đề tài

- Các công trình cầu bê tông cốt thép thường

- Đề xuất gia cường bằng dán bản thép và mở rộng tiết diện

- Kiểm chứng hiệu quả gia cường bằng phần mềm Abaqus

- Kiểm chứng hiệu quả gia cường bằng mô hình thực nghiệm

5 Phương pháp nghiên cứu

Tính toán gia cường cho công trình cầu BTCT thường thực tế, sau đó quy đổi về

mô hình dầm thí nghiệm tương đương thông qua độ cứng Trên mô hình dầm thí nghiệm này, tác giả tiến hành:

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết

- Nghiên cứu mô hình hóa kết cấu theo phương pháp PTHH để phân tích kết cấu

dầm BTCT thường bằng phần mềm Abaqus

- Nghiên cứu trên mô hình thực nghiệm

- So sánh, đánh giá hiệu quả nghiên cứu

6 Kết cấu của đề tài:

Chương 1: Tổng quan về các biện pháp gia cường

1.1 Tổng quan về cầu BTCT thường

1.2 Các biện pháp gia cường của cầu cũ

1.2.1 Gia cường bằng tăng cường tiết diện

1.2.2 Gia cường bằng dán bản thép

1.3 Xu hướng áp dụng của các biện pháp gia cường

1.4 Những vấn đề còn gặp phải của công tác sửa chửa, gia cường cầu

Kết luận chương 1

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

2.1 Phương pháp tính toán truyền thống

2.1.1 Các giả thuyết tính toán

2.1.2 Tính toán dầm chưa gia cường

2.1.2.1 Tính toán đặt trưng hình học và các tham số liên quan 2.1.2.2 Tính toán sức kháng uốn của dầm

2.1.3 Tính toán gia cường sức kháng uốn bằng bản thép

2.1.4 Tính toán gia cường sức kháng uốn bằng mở rộng tiết diện

2.2 Tính toán bằng phương pháp phần tử hữu hạn

2.2.1 Cơ sở tính toán theo phương pháp phần tử hữu hạn

2.2.2 Cơ sở tính toán bằng phần mềm Abaqus

2.3 Bài toán tính toán gia cường

2.3.1 Cơ sở quy đổi

2.3.2 Kích thước quy đổi dầm thí nghiệm

2.4 Tính toán gia cường dầm thực tế bằng phương pháp truyền thống

2.4.1 Sức kháng uốn dầm chưa gia cường

2.4.2 Sức kháng uốn dầm gia cường bằng bản thép

2.4.3 Sức kháng uốn dầm gia cường khi mở rộng tiết diện

2.5 Tính toán dầm thí nghiệm bằng phương pháp truyền thống

2.5.1 Sức kháng uốn dầm thí nghiệm khi chưa gia cường

2.5.2 Sức kháng uốn dầm thí nghiệm khi gia cường bằng bản thép

2.5.3 Sức kháng uốn dầm thí nghiệm khi gia cường bằng mở rộng tiết diện 2.6 Tính toán dầm thí nghiệm bằng phần mềm Abaqus

Kết luận chương 2

Chương 3: Bài toán thực nghiệm và đánh giá hiệu quả gia cường

3.1 Cở sở bài toán thực nghiệm

3.2 Quá trình tiến hành thí nghiệm

3.2.1 Kết cấu dầm thí nghiệm

3.2.2 Quá trình chế tạo dầm

3.2.3 Quá trình nén tạo nứt dầm

3.2.4 Quá trình gia cường

3.2.5 Quá trình gia tải nén phá hủy

3.3 Kết quả thực nghiệm

3.3.1 Ứng suất độ võng quá trình nén tạo nứt

3.3.2 Xét dầm đối chứng

3.3.3 Xét dầm gia cường dán bản thép

3.3.4 Xét dầm gia cường mở rộng tiết diện

3.4 So sánh đánh giá hiệu quả giữa thực nghiệm, lý thuyết và phần mềm Abaqus Kết luận Chương 3

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC BIỆN PHÁP GIA CƯỜNG

1.1 Tổng quan về cầu BTCT thường

Theo thống kê tháng 02/2017 của của Tổng cục đường bộ Việt Nam [1] thì: Tổng chiều dài cầu trên quốc lộ: 395.102 m; Tổng chiều dài cầu trên đường tỉnh: 216.625m Trong đó trên toàn hệ thống quốc lộ hiện còn 738 cầu yếu Đây là những cầu có khả năng chịu tải thấp hơn so với đường, khổ cầu nhỏ hơn khổ đường, cầu xây dựng đã lâu đã đến giai đoạn phải sửa chữa lớn, cầu hư hỏng nặng về kết cấu công trình có nguy cơ sụp đổ bất cứ lúc nào, phải cắm biển hạn chế tải trọng, hạn chế tốc độ

Riêng địa bàn tỉnh Trà Vinh Cầu trên các tuyến Quốc lộ có 51 cây cầu với tổng chiều dài là 2.612,5 m khổ cầu đảm bảo cho 02 làn xe lưu thông (chiều rộng phần xe chạy trung bình từ 7,0 m – 8,0 m), tải trọng từ 18 tấn đến 30 tấn riêng cầu Tầm Phương trên Quốc lộ 54 chỉ có 12 tấn; Cầu trên các tuyến đường tỉnh có 34 cây cầu với tổng chiều dài 2.440,628 m, khổ cầu đảm bảo cho 02 làn xe lưu thông (chiều rộng phần xe chạy trung bình từ 6,0 m – 7,0 m; riêng cầu Ba Động và cầu Kênh II trên Đường tỉnh 913 chỉ có 3,5 m), tải trọng từ 13 tấn đến 18 tấn; Cầu trên các tuyến đường huyện có 112 cây cầu với tổng chiều dài 3.931,65 m, những cầu được đầu tư từ những năm 2006 trở lại đây khổ cầu đảm bảo cho 02 làn xe lưu thông và những cầu được đầu

tư trước năm 2006 chỉ đảm bảo cho 01 làn xe lưu thông với chiều rộng phần xe chạy

từ 3,5 m – 4,0 m; về tải trọng có 40 cây cầu tải trọng từ 10 đến 18 tấn, 61 cây cầu tải trọng dưới 10 tấn[7]

Những cầu có khả năng chịu tải thấp hơn so với đường, khổ cầu nhỏ hơn khổ đường, cầu xây dựng từ lâu đã đến giai đoạn phải sửa chữa lớn, cầu hư hỏng nặng về kết cấu công trình có nguy cơ sụp đổ bất cứ lúc nào, phải cắm biển hạn chế tải trọng, hạn chế tốc độ và phải có công nhân gác cầu để điều tiết phương tiện giao thông Vì vậy việc đầu tư sửa chữa để nâng cao khả năng chịu tải cho các cầu yếu trên các quốc

lộ này là hết sức cần thiết Do sự phát triển kinh tế của đất nước, hiện nay đa phần các cầu trên phải gánh một lượng vận tải lớn, nhiều khi vượt quá tải trọng cho phép Mặt khác, những công trình cầu cũ ở nước ta còn chịu ảnh hưởng của môi trường, chiến tranh và công tác duy tu bảo dưỡng không được thường xuyên Chính vì vậy nên có rất nhiều cầu cũ đang trong tình trạng hư hỏng và xuống cấp nghiêm trọng Để tiếp tục tận dụng, khai thác và phát huy khả năng làm việc của công trình cần phải đánh giá, phân loại hiện trạng và nguyên nhân gây hư hỏng, từ đó nghiên cứu các giải pháp xử lý Vì vậy việc đưa ra công nghệ vật liệu tiên tiến để sửa chữa hư hỏng cầu BTCT vừa đảm bảo điều kiện kỹ thuật và điều kiện kinh tế là một công việc hết sức có ý nghĩa cho ngành giao thông vận tại và giải quyết được bài toán cấp thiết của xã hội

Một số nguyên nhân chính gây hư hỏng, xuống cấp cầu:

- Quá trình phá hủy vật liệu do tác động của môi trường, bão, lũ… : Sự phá hủy

lý hóa của bê tông, sự hư hỏng do hiện tượng ăn mòn cốt thép trong bê tông, sự hư hỏng về nứt do co ngót bê tông

- Những sai lầm do khảo sát, thiết kế sẽ kéo theo những hư hỏng có thể biểu hiện theo các dạng: những hư hỏng do tính toán kết cấu, những hư hỏng xảy ra lựa chọn giải pháp kết cấu không tốt

- Những hư hỏng liên quan đến thi công: Sản xuất bê tông, cốt thép trong bê tông, bố trí cốt thép trong ván khuôn và thi công căng kéo

- Những hư hỏng trong quá trình khai thác sử dụng: thường do sự thay đổi điều kiện sử dụng, điều kiện môi trường, thiếu duy tu bảo dưỡng thường xuyên Những hư hỏng trong quá trình sử dụng phổ biến nhất là các hư hỏng về nứt Các vết nứt này là

do cấu kiện chịu quá tải, do lún không đều của công trình, do mỏi

1.2 Các biện pháp gia cường của cầu cũ

Có nhiều biện pháp gia cường được sử dụng hiện nay:

- Gia cường mở rộng tiết diện

- Gia cường dán bản thép

- Gia cường dán tấm sợi composide

- Gia cường bằng bản tựa gối cứng

- Gia cường bằng căng cáp DUL

Trong đó có 2 biện pháp: gia cường bằng dán bản thép và mở rộng tiết diện vẫn

được dùng nhiều và có hiệu quả tương đối cao

1.2.1 Gia cường bằng tăng cường tiết diện

a) Phạm vi áp dụng

Biện pháp gia cường bằng tăng cường tiết diện được áp dụng phổ biến ở các trường hợp như:

- Môi trường nước mặn, có nhiều chất ăn mòn

- Tăng chiều cao dầm không ảnh hưởng đến khoảng thông thuyền hay thông xe

b) Nguyên tắc cấu tạo

Căn cứ vào từng trường hợp cụ thể, việc gia cường cầu cũ bằng phương pháp tăng tiết diện có thể thực hiện theo nhiều cách:

- Tăng cường tiết diện Bê tông

- Tăng cường tiết diện cốt thép

- Tăng cường tiết diện BTCT kết hợp tăng cường tiết diện cốt thép

Hình 1.1: Gia cường bằng tăng cường tiết diện

Trình tự tăng cường cầu theo phương pháp mở rộng tiết diện như sau:

- Đục tạo nhám lớp bê tông ở khu vực tiếp giáp với lớp bê tông mới khi lớp bê tông cũ còn đạt chất lượng thì chỉ cần tạo nhám bề mặt, còn nếu lớp bê tông củ không đạt chất lượng thì đục bỏ có thể lộ cốt thép chủ và cốt thép đai cũ

- Lắp đặt cốt thép chủ và cốt đai cần tăng cường Đai mới có thể hàn hoặc gia công liên kết với cốt đai cũ sẽ tăng khả năng chịu lực

- Sau khi lắp đặt cốt thép chủ và cốt thép đai mới, tiến hành lắp đặt ván khuôn, vệ sinh

- Đổ bê tông: ta có thể đổ bê tông bằng thủ công hoặc bơm bê tông, để tăng lớp bám dính giữa bê tông cũ và bê tông mới ta có thể quét nước xi măng hoặc lớp keo (ví

dụ như keo epoxy) Ở đây sự dính kết giữa bê tông cũ và bê tông mới là vấn đề rất quan trọng, nếu thi công không tốt thì hằng năm do tuổi bê tông khác nhau, độ dính kết

sẽ giảm dần đi Độ dính kết giữa bê tông cũ và bê tông mới phụ thuộc rất nhiều yếu tố như điều kiện đổ bê tông, phương pháp đầm và bảo dưỡng, cách thức gia công mặt tiếp xúc, thành phần hạt cốt liệu, liều lượng xi măng…

- Bảo dưởng bê tông sau khi đổ

Hình 1.2: Hình ảnh thực tế gia cường bằng tăng cường tiết diện

Bê tông ốp tăng cường tiết diện nên dùng bê tông có mác không nhỏ hơn mác bê tông của kết cấu cũ Tùy theo điều kiện sử dụng công trình mà chọn loại xi măng thích hợp Chiều dày tối thiểu khi dùng bê tông phun 30-40m và không dưới 60mm khi đỗ thủ công

Nếu mức độ tăng cường khả năng chịu lực của dầm không nhiều lắm thì chỉ cần tăng số lượng cốt thép chủ bằng cách hàn thêm một số cốt thép phụ thuộc vào những cốt thép chủ cũ của dầm, rồi trát vữa xi măng hay phun bê tông Có thể hàn trực tiếp cốt thép mới vào cốt thép cũ, hoặc đặt một miếng nêm vào giữa chúng; miếng nêm này

là đoạn thép tròn, đường kính 10-30mm, dài độ 8-20cm; các đoạn hàn cách nhau khoảng 10cm Như vậy, chiều cao của tiết diện được gia cường tăng lên 2-8cm Nếu cần tăng khả năng chịu lực của dầm lên nhiều thì phải tăng chiều cao tiết diện dầm về phía dưới bằng cách đặt thêm cốt thép chủ mới, hàn vào cốt thép chủ cũ bằng các đoạn thép vai bò, thép đai đứng hoặc xiên Đúc bê tông gia cường dầm có thể tiến hành từ trên xuống qua các lỗ đục sẵn trên sàn và xọc vữa xuống dầm Biện pháp này không phải lúc nào cũng thực hiện được, vì nhiều khi trên dầm còn có các thiết bị công nghệ cản trở việc đục lỗ trên sàn Có trường hợp áp dụng phương pháp phun bê tông vỏ áo thành nhiều lớp; mỗi lớp dày không quá 15mm

c) Phương pháp này có rất nhiều ưu điểm

- Chịu được tốt sự ảnh hưởng xâm thực của môi trường

- Sửa chữa được những hư hỏng có trước trong cấu kiện mà vẫn giữ được tính toàn khối của bê tông cốt thép

- Không thay đổi sơ đồ tính toán ban đầu nên việc tính toán chỉ là kiểm tra khả năng chịu tải của tiết diện sau khi gia cố

- Không yêu cầu đặc biệt về vật liệu nên không bị phụ thuộc khó khăn khi tìm vật liệu đầu vào

- Có tính kinh tế, tốn ít vật liệu mà hiệu quả tăng cường vẫn cao

- Đối với kết cấu không quá lớn phương pháp này sử dụng rất hiệu quả

Hình 1.3: Tăng cường khả năng chịu uốn của dầm bê tông cốt thép

b) Nguyên tắc cấu tạo

Nội dung cơ bản của phương pháp là dán 1 hoặc 2 lớp các dải bản thép độ dày tùy vào tính toán gia cường lên bề mặt bê tông đã được chuẩn bị tốt để khôi phục khả năng chống nứt, khả năng chịu mô men của các bộ phận kết cấu như dầm chủ, dầm ngang, bản mặt cầu

1 - Dầm bê tông; 2 - Chốt treo gông; 3 - Dây hoặc thanh treo

4 - Tăng đơ; 5 - Bản thép; 6 - Thành ngang của gông đỡ

Hình 1.4: Gia cường bằng bản thép dầm BTCT thường

 Vật liệu dùng trong công nghệ dán bản thép

Keo dán bản thép là loại keo công nghiệp đã được chế tạo sẵn và được cung cấp

từ Công ty Sika với chất lượng đảm bảo Không sử dụng các loại keo tự pha chế

Bản thép bằng loại thép CT3 hoặc tương đương có chiều dài tuỳ theo thiết kế và

phù hợp với kích thước bộ phận kết cấu BTCT cần được sửa chữa Có thể dán bản thép dọc theo đáy dầm để cải thiện khả năng chịu mô men và ngăn ngừa vết nứt ngang Trước khi dán phải làm sạch bề mặt bê tông đáy dầm

 Hệ thống gá đỡ và tạo lực ép

Tuỳ điều kiện cụ thể và trọng lượng bản thép có thể chọn một trong các hệ thống

gá đỡ và tạo lực ép dán như sau:

- Sử dụng các bu lông neo (nên dùng cho bản thép dán ở đáy bản mặt cầu BTCT

và bản thép dán vào mặt bên của thành dầm)

- Sử dụng hệ thống quang treo bằng thép góc, thép tròn và tăng đơ, móc neo vào thành dầm (nên dùng cho bản thép dán ở đáy dầm chủ)

- Kiểm tra kết quả thực hiện

c) Ưu điểm của phương án dán bản thép:

- Giá thành rẻ, dễ thực hiện;

- Thời gian ngừng lưu thông phương tiện giao thông không lâu;

- Tiết kiệm được chi phí đầu tư công trình mới

- Không tăng chiều cao dầm nhiều, không ảnh hưởng đến khoảng thông thuyền hoặc thông xe

d) Ứng dụng

Hình 1.5: Cầu Bà Rén (Quảng Nam)

1.3 Xu hướng áp dụng của các biện pháp gia cường

Khu vực Đồng bằng sông Cửu Long các biện pháp gia cường cầu chưa được sử dụng rộng rải, tâm lý xây dựng mới vẫn được các nhà đầu tư ưu chuộng Khi xây dựng mới không phủ nhận khả năng phục vụ khai thác là tốt nhất nhưng nguồn vốn đầu tư rất tốn kém Đối với những trường hợp mức độ hư hỏng không ảnh hưởng đến khả năng chịu tải của bản thân (tỉnh tải) hoặc cần tăng tải trọng phục vụ thì nên chọn các phương án gia cường là hiệu quả nhất, vừa đạt được mục đích và giá thành lại rẻ hơn công tác xây dựng mới Hiện nay có các biện pháp gia cường như: căng cáp DUL ngoài, công nghệ dán bản thép, công nghệ dán vật liệu composite, hay gia cường bằng phương pháp tăng cường tiết diện,… Song nhìn chung trên hệ thống giao thông đường

bộ ở nước ta, các công trình cầu đã đang và sắp sửa chữa, gia cường thì xu hướng áp dụng các biện pháp gia cường là rất cần thiết thay vì xây mới rất tốn kém Một trong các biện pháp trên thì công nghệ dán bản thép hay gia cường bằng phương pháp tăng cường tiết diện là 2 phương pháp cũng rất hiệu quả, biện pháp thi công đơn giản, chi phí thấp so với các biện pháp gia cường khác

1.4 Những vấn đề còn gặp phải của công tác sửa chữa, gia cường cầu

Bên cạnh việc đầu tư xây dựng thì công tác duy tu, sửa chửa, bảo trì hệ thống cầu giữ vai trò quan trọng trong việc phát triển hạ tầng mạng lưới giao thông Tình trạng của các công trình cầu cũ đặc biệt là các công trình cầu BTCT thường ngày càng xuống cấp, gây trở ngại lớn cho vận tải, đòi hỏi công tác duy tu, sửa chữa và gia cường cầu là hết sức cấp thiết Tuy nhiên, công việc này hiện nay còn gặp nhiều khó khăn, bất cập là do:

- Công tác khảo sát, điều tra hư hỏng chưa thực sự chính xác dẫn đến sự lựa chọn các giải pháp gia cường, sửa chữa chưa thực sự hiệu quả,

- Các biện pháp gia cường chưa thật sự được sử dụng rộng rải nên chủ đầu tư chưa thật sự tin tưởng vào kết quả đạt được

- Trình độ, kỹ thuật thi công các biện pháp gia cường, sửa chữa còn nhiều hạn chế chưa có quy phạm tiêu chuẩn quy định, phần lớn thi công bằng phương pháp thủ công là chủ yếu

Từ những lý do trên, nhận thấy những vấn đề mà ngành GTVT cần quan tâm là:

- Trình tự khảo sát, điều tra hư hỏng, khuyết tật công trình phải thật chuyên nghiệp để đưa ra phương án thiết kế gia cường chính xác từ đó đưa ra biện pháp sửa chữa, cải tạo hoặc gia cường một cách hợp lý có hiệu quả nhất

- Mở rộng tăng tải trọng cầu bằng cách gia cường hạn chế xây dựng mới

- Nâng cao trình độ, kỹ thuật và áp dụng những công nghệ tiên tiến trong công tác sửa chữa, gia cường

Kết luận chương 1:

Việc sử dụng biện pháp cải tạo, nâng cấp là cần thiết như những phân tích nêu trên, trong việc gia cố nâng cấp công trình cũng có nhiều biện pháp Hiện nay các

phương pháp này cũng sử dụng tương đối nhiều do nhu cầu ngày càng tăng Tuy nhiên hiệu quả mang lại chưa nhiều vì nhiều lý do khác nhau

Luận văn này, sẽ kế thừa 1 đề tài trước kia đã được triển khai nghiên cứu hiệu quả gia cường cho công trình cầu BTCT thường, tuy nhiên đề tài này sẽ đi sâu hơn là nghiên cứu gia cường cho cầu cũ, tức là gia cố cho công trình cầu khi đã xuất hiện vết nứt

Trong giới hạn của luận văn thì tác giả lựa chọn 2 phương pháp gia cường bằng

tăng cường tiết diện và dán bản thép để nghiên cứu

Chương 2 - CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Phương pháp tính toán truyền thống

2.1.1 Các giả thiết

- Biến dạng nhỏ;

- Biến dạng phân bố trên toàn dầm là tuyến tính;

- Bỏ qua biến dạng cắt;

- Không tính đến khả năng chịu kéo của bê tông;

- Phần tăng cường tiết diện dính bám tuyệt đối với bề mặt dầm BTCT;

- Biến dạng chảy của cốt thép không quá 0,002

2.1.2 Tính toán dầm chưa gia cường

a Tính toán đặc trưng hình học và các tham số liên quan:

Hình 2.1: Mặt cắt ngang dầm chưa gia cường

- Mô đun đàn hồi của thép: E s200000 (MPa)

- Mô đun đàn hồi của bê tông: 1,5 '

f : Cường độ chịu nén ở tuổi 28 ngày của bê tông (Mpa)

- Hệ số quy đổi thép sang bê tông: S

C

E n E

- Vị trí trục trung hòa: td

d td

S y A

b Tính toán sức kháng uốn của dầm:

Xác định vị trí của trục trung hòa c:

280.85 0.05

7

c f

    đối với 28 MPa  fc'  56 MPa

Nếu c < hf thì tính theo tiết diện hình chữ nhật:

' ' ' 1

0,85

s y s y

c f

A f A f c

As : Diện tích cốt thép chịu kéo (mm2)

fy : Giới hạn chảy quy định của cốt thép (MPa)

ds : Khoảng cách từ thớ nén ngoài cùng đến trọng tâm cốt thép chịu kéo (mm)

f : Cường độ chịu nén quy định của bê tông ở tuổi 28 ngày (MPa)

b : Bề rộng của mặt cắt chịu nén của cấu kiện (mm)

bw : Chiều dày của bản bụng (mm)

hf : Chiều dày bản cánh chịu nén của cấu kiện (mm)

2.1.3 Tính toán dầm gia cường sức kháng uốn bằng bản thép

Hình 2.2: Mô hình tính toán gia cường sức kháng uốn bằng dán bản thép

Diện tích tấm thép cần thiết để gia cố:

Abt =

T f

M

M u n

9 , 0

2.1.4 Tính toán dầm gia cường bằng tăng cường tiết diện

- Chọn chiều cao gia cường thỏa mãn chiều dày bảo vệ

- Chọn diện tích cốt thép cần thêm và kiểm tra

2.2 Tính toán bằng phương pháp phần tử hữu hạn

2.2.1 Cơ sở tính toán theo phương pháp phần tử hữu hạn

Phương pháp phần tử hữu hạn (PPPTHH) là phương pháp số để giải các bài toán được mô tả bởi các phương trình vi phân riêng phần cùng với các điều kiện biên cụ thể Cơ sở của phương pháp này là làm rời rạc hóa các miền liên tục phức tạp của bài toán Các miền liên tục được chia thành nhiều miền con (phần tử) Các miền này được liên kết với nhau tại các điểm nút Trên miền con này, dạng biến phân tương đương với bài toán được giải xấp xỉ dựa trên các hàm xấp xỉ trên từng phần tử, thoả mãn điều kiện trên biên cùng với sự cân bằng và liên tục giữa các phần tử Về mặt toán học, phương pháp phần tử hữu hạn (PPPTHH) được sử dụng

để giải gần đúng bài toán phương trình vi phân từng phần (PTVPTP) và phương

trình tích phân Lời giải gần đúng được đưa ra dựa trên việc loại bỏ phương trình vi phân một cách hoàn toàn (những vấn đề về trạng thái ổn định), hoặc chuyển PTVPTP sang một phương trình vi phân thường tương đương mà sau đó được giải bằng cách sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn,

Trên thế giới có nhiều phần mềm PTHH nổi tiếng như: NASTRAN, ANSYS, TITUS, MODULEF, SAP 2000, CASTEM 2000, SAMCEF, ABAQUS,

Mô hình tính toán sử dụng phương pháp chuyển vị:

F K U (19) Trong đó: F: Ngoại lực tác dụng ; K: Độ cứng; U: Chuyển vị

2.2.2 Cơ sở lý thuyết tính toán bằng phần mềm Abaqus

Hiện nay ABAQUS là một bộ phần mền lớn dùng để mô phỏng công trình, kết cấu dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn, phạm vi giải quyết vấn đề của nó

từ phân tích tuyến tính tương đối đơn giản đến vấn dề môn phỏng phi tuyến phúc tạp ABAQUS có kho phần tử phong phú, có thể mô phỏng hình dạng bất kỳ Đồng thời kho mô hình vật liệu có thể mô phỏng đại đa số tính năng vật liệu kết cấu điển hình, trong đó bao gồm kim loại, cao su, vật liệu cao phân tử, vật liệu phúc hợp, bê tông cốt thép,… ABAQUS không chỉ giải quyết vấn đề trong phân tích kết cấu (ứng suất, chuyển vị), vần có khả năng mô phỏng và nghiên cứu vấn đề trong lĩnh vực khác như truyền đẫn nhiệt, phân tích âm thanh, điện tử, phân tích cơ học môi trường điện áp

Hình 2.3: Giao diện phần mềm Abaqus 6.13

ABAQUS có hai khối phân tích chủ yếu: ABAQUS/Standard và ABAQUS/Explicit Ngoài ra vẫn còn hai khối phân tích phụ có công dụng đặc biệt: ABAQUS/Aqua và ABAQUS/Design ABAQUS/CAE (Complete ABAQUS Evironment) là khối giao tiếp với người dùng, làm công tác tiền xử lý như thiết lập mô hình, gán đặc tính và điều kiện biên, phân chia mạng lưới, ABAQUS/Viewer dùng

để tiến hành phân tích và xử lý kết quả

Tác giả sử dụng phần mềm Abaqus để mô phỏng bài toán theo phương pháp chuyển vị bởi những thế mạnh so với các phần mềm khác ở những điểm sau:

- Mô phỏng sự làm việc đồng thời giữa bê tông và cốt thép, giữa bê tông và vật liệu gia cường

- Khai báo được thuộc tính vật liệu Composite

- Thích hợp cho việc nghiên cứu

2.3 Bài toán tính toán gia cường

2.3.1 Cơ sở quy đổi

Nhằm quy đổi tương đồng vật liệu gia cường từ dầm thực tế về dầm thí nghiệm

để đánh giá chính xác hiệu quả gia cường trên dầm thí nghiệm

I : Mô men quán tính của dầm

Xem vật liệu của dầm thí nghiệm và dầm thực tế giống nhau nên ta quy đổi tương đồng theo công thức:

I1, I2 :Mô men quán tính của dầm thực tế, dầm thí nghiệm;

L1, L2 :Chiều dài của dầm thực tế, dầm thí nghiệm

2.3.2 Kích thước quy đổi dầm thí nghiệm

Bảng 2.1: Thông số kĩ thuật của dầm thực tế

Chiều dài

nhịp

Tải trọng thiết kế

Mặt cắt ngang

Số dầm chủ

Các đặc trưng hình học và các tham số liên quan của dầm thực tế:

- Mô đun đàn hồi của thép: E s 200000 (MPa)

- Mô đun đàn hồi của bê tông: E c 27691 (MPa)

- Hệ số quy đổi thép sang bê tông: n7.22

- Diện tích tiết diện tương đương:  2

Bảng 2.2: Thông số kĩ thuật của dầm thí nghiệm

Chiều dài dầm

Mặt cắt ngang

Vật liệu

Bê tông Cốt thép 2,8 m Hình 2.5 f’c = 30 Mpa fy = 420 Mpa

Các đặc trưng hình học và các tham số liên quan của dầm thí nghiệm:

- Mô đun đàn hồi của thép: E s 200000 (MPa)

- Mô đun đàn hồi của bê tông: E c 27691 (MPa)

- Hệ số quy đổi thép sang bê tông: n7.22

- Diện tích tiết diện tương đương:  2

2.4 Tính toán gia cường dầm thực tế bằng phương pháp truyền thống

Tiêu chí đặt ra là nâng cấp công trình cầu thực tế có số liệu như ở bảng 2.1 từ tải trọng khai thác 0,5HL93 lên tải trọng 0,65HL93

Bảng 2.3: Tổ hợp nội lực theo TTGH CĐ

2.4.1 Sức kháng uốn dầm chưa gia cường (0,5HL93)

Mr = Ф [Asfy(ds-a/2)-A'sf'y(d's-a/2)]

= 0,9*3926,99*420*(817-51,33/2)

= 1159417459 Nmm

= 1159,42 kNm

2.4.2 Sức kháng uốn dầm gia cường bằng bản thép (0,65HL93)

Diện tích bản thép cần để tăng cường:

1256000000 11594.0,8

1745

5

9.90,9d 0,9.0,85.4

120.0,9.900

u r sgc

b t

 0,93 Chọn 1 tấm

Xác định vị trí trục trung hòa:

' 1

2.4.3 Sức kháng uốn dầm gia cường khi mở rộng tiết diện (0,65HL93)

- Chọn chiều cao tiết diện gia cường h= 80 mm

- Chọn 2 thanh thép Φ16 gia cường Ast= 402.12 mm2