DỰ ĐOÁN LỰC CĂNG CÒN LẠI CỦA DẦM CẦU KHE BÓ TẠI KM 37+819.79, TRÊN TUYẾN LA SƠN – NAM ĐÔNG, BẰNG ĐO ĐẠC TẦN SỐ DAO ĐỘNG VÀ MÔ HÌNH SỐ LUẬN VĂN THẠC SĨ

TỔNG QUAN VỀ CÔNG TÁC ĐÁNH GIÁ NĂNG LỰC CHỊU TẢI CỦA KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP DỰ ỨNG LỰC .... Tổng quan về các phương pháp dự đoán lực căng còn lại của kết cấu bê tông cốt thép dự ứng l

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

- oOo -

HỒ ĐẮC LỘC

DỰ ĐOÁN LỰC CĂNG CÒN LẠI CỦA DẦM CẦU KHE BÓ TẠI KM 37+819.79, TRÊN TUYẾN LA SƠN – NAM ĐÔNG, TỈNH THỪA THIÊN HUẾ BẰNG ĐO ĐẠC TẦN SỐ

DAO ĐỘNG VÀ MÔ HÌNH SỐ

LUẬN VĂN THẠC SĨ

KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG

Đà Nẵng, 2019

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

- oOo -

HỒ ĐẮC LỘC

DỰ ĐOÁN LỰC CĂNG CÒN LẠI CỦA DẦM CẦU KHE BÓ TẠI KM 37+819.79, TRÊN TUYẾN LA SƠN – NAM ĐÔNG, TỈNH THỪA THIÊN HUẾ BẰNG ĐO ĐẠC TẦN SỐ

GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN:

TS CAO VĂN LÂM

Đà Nẵng, 2019

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đề tài tốt nghiệp do tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn của Tiến

sĩ Cao Văn Lâm là đề tài làm mới, không sao chép hay trùng với đề tài nào đã thực hiện, chỉ sử dụng những tài liệu tham khảo đã nêu trong báo cáo

Các số liệu, kết quả nêu trong đề tài là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Nếu sai, tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm

Tác giả luận văn

Hồ Đắc Lộc

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN

MỤC LỤC

TRANG TÓM TẮT

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

DANH MỤC CÁC BẢNG

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Đối tượng nghiên cứu 3

3 Mục tiêu nghiên cứu 3

4 Phương pháp nghiên cứu 3

5 Kết cấu của luận văn 3

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG TÁC ĐÁNH GIÁ NĂNG LỰC CHỊU TẢI CỦA KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP DỰ ỨNG LỰC 4

1.1 Tổng quan về cầu Khe Bó tại Km37+819.79, huyện Nam Đông, tỉnh Thừa Thiên Huế 4

1.2 Tổng quan về các biện pháp đánh giá năng lực chịu tải của cầu 14

1.3 Tổng quan về các phương pháp dự đoán lực căng còn lại của kết cấu bê tông cốt thép dự ứng lực 17

1.4 Những khó khăn trong quá trình dự đoán lực căng còn lại của kết cấu bê tông cốt thép dự ứng lực 21

1.5 Kết luận chương 22

CHƯƠNG 2 KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA LỰC CĂNG CÁP TRONG DẦM ĐẾN TẦN SỐ DAO ĐỘNG CỦA CẦU BẰNG PHẦN MỀM ABAQUS 23

2.1 Giới thiệu về phần mềm ABAQUS và các ứng dụng 23

2.2 Mô hình hóa cầu trên phần mềm ABAQUS 26

2.3 Xác định sơ bộ lực căng còn lại trong dầm cầu Khe Bó 42

2.4 Khảo sát ảnh hưởng của lực căng cáp trong dầm đến tần số dao động của cầu 48

2.5 Đánh giá kết quả 49

2.6 Kết luận chương 49

CHƯƠNG 3 DỰ ĐOÁN LỰC CĂNG CÒN LẠI CỦA CẦU THÔNG QUA

THỰC NGHIỆM 50

3.1 Cơ sở lý thuyết để dự đoán lực căng cáp dự ứng lực trong dầm 50

3.2 Thực nghiệm đo đạc tần số dao động của cầu 54

3.3 So sánh tần số dao động thông qua thực nghiệm và mô hình hoá 73

3.4 Khảo sát sự thay đổi tần số dao động trong dầm do lực căng 73

3.5 Xác định lực căng còn lại của dầm 75

3.6 Kết luận chương 78

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 79 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO

QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (Bản sao)

DỰ ĐOÁN LỰC CĂNG CÒN LẠI CỦA DẦM CẦU KHE BÓ TẠI KM 37+819.79, TRÊN TUYẾN LA SƠN – NAM ĐÔNG, TỈNH THỪA THIÊN HUẾ

BẰNG ĐO ĐẠC TẦN SỐ DAO ĐỘNG VÀ MÔ HÌNH SỐ

Học viên: Hồ Đắc Lộc Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông

Mã số: 85 80 205 Khóa: K36-XGT Trường Đại học Bách khoa – ĐHĐN

Tóm tắt – Hệ thống giao thông đường bộ nước ta hiện có số lượng cầu yếu cần phải

nâng cấp, cải tạo là rất lớn, trong đó cầu BTCT DƯL chiếm tỉ lệ khá lớn Để giải quyết được bài toán khôi phục, giữ vững trạng thái kỹ thuật và nâng cao khả năng phục vụ đối với kết cấu

bê tông cốt thép dự ứng lực thì việc xác định lực căng còn lại trong dầm cầu sau nhiều năm khai thác sử dụng là hết sức cần thiết Việc xác định chính xác lực căng còn lại trong dầm là một bài toán hết sức khó khăn Sự suy giảm các thông số động học của cầu trong đó có tần số dao động là một hệ quả tất yếu của sự suy giảm lực căng cáp trong dầm Do đó, luận văn dự đoán lực căng còn lại của dầm cầu Khe Bó tại Km37+819.79, huyện Nam Đông, tỉnh Thừa Thiên Huế thông qua tần số dao động bằng phương pháp đồng nhất giữa thực nghiệm và mô hình số bằng phần mềm ABAQUS Luận văn còn so sánh với các phương pháp xác định lực căng còn lại, kết quả cho thấy phương pháp này cho giá trị chính xác và là cơ sở để dự đoán sức khỏe của cầu

Từ khóa – Lực căng còn lại; tần số dao động; phần mềm Abaqus; dự đoán sức khỏe

cầu; kiểm định cầu

PREDICTABLE PRE-STRESSED REMAIN

OF KHE BO BRIDGE KM37+819.79 HIGHWAY LA SON – NAM ĐONG, THUA THIEN HUE PROVINCE MEASUREMENT OF FREQUENCY

AND FEM SOFTWARE Abstract - Our country's road transport system currently has a large number of weak

bridges that need to be upgraded and renovated, of which the bridge for concrete reinforcement is relatively large To solve the problem of restoring, maintaining the technical state and improving the service capacity for prestressed reinforced concrete structures, the determination of the remaining tension in the girder beams after years of exploitation and use Use is essential Determining exactly the remaining tension in the beam is a very difficult problem The decrease in the kinematic parameters of bridges including the oscillation frequency is an inevitable consequence of the reduction of cable tension in beams Therefore, the thesis predicts the remaining tension of Khe Bo bridge at Km37 + 819.79, Nam Dong district, Thua Thien Hue province through the frequency of the knife By applying the homogeneous method between experiment and numerical model using ABAQUS software The thesis also compares with other methods of determining the remaining tension, the results show that this method gives an accurate value and is the basis for predicting the health of the demand

Keywords: Pre-stressed remain; oscillation frequency; Abaqus software; predict

demand health; Testing the bridge

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

AASHTO :American Association of State Highway and Transportation

Officials AASHTO LRFD : American Association of State Hightway and Transportion

Officials Load and Resistance Factor Design ACI : American Concrete Insitute

3.3 Bảng tổng hợp kết quả tần số dao động giữa mô hình số và thực nghiệm 73 3.4 Bảng ảnh hưởng của lực căng cáp trong dầm đến tần số dao động của cầu

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Số hiệu

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Hiện trạng những cây cầu “oằn mình” vì xe quá tải 2 1.1 Cầu Khe Bó – Km 37+819,79 4 1.2 Hiện trạng cầu Khe Bó – Km 37+819,79 4 1.3 Bố trí chung cầu Khe Bó - Km 37+819.79 5 1.4 Kết cấu thượng bộ cầu Khe Bó - Km 37+819.79 6 1.5 Cắt ngang dầm T24m Cầu Khe Bó - Km 37+819.79 6 1.6 Mặt cắt dọc dầm T24m Cầu Khe Bó - Km 37+819.79 7 1.7 Mặt cắt ngang tại trụ cầu Cầu Khe Bó - Km 37+819.79 7 1.8 Mặt cắt ngang tại trụ cầu Cầu Khe Bó - Km 37+819.79 8 1.9 Các dạng vết nứt trong kết cấu nhịp cầu 10 1.10 Nứt vỡ bê tông bên trên thớt gối 10 1.11 Bê tông rổ tổ ong, rỉ cốt thép, nứt vỡ 11

Notes

19

1.23 Một phần tử PCB với cáp DƯL 20 2.1 Giao diện phần mềm Abaqus 6.14 24 2.2 Bộ Mođun phân tích phần tử hữu hạn của ABAQUS 25 2.3 Ký hiệu hệ trục toạ độ và các thành phần ứng suất 25

2.6 Mặt cắt dọc dầm T24m 26 2.7 Kích thước xe thử tải 27

Số hiệu

2.8 Khai báo mặt cắt dầm T 28 2.9 Dầm T24 sau khi xây dựng xong 28 2.10 Khai báo mặt cắt dầm T 28 2.11 Dầm ngang sau khi xây dựng xong 29 2.12 Khai báo mặt cắt bản mặt cầu 29 2.13 Bản mặt cầu sau khi xây dựng xong 29 2.14 Khai báo mặt cắt cáp dự ứng lực 30 2.15 Cáp DUL sau khi xây dựng xong 30 2.16 Định nghĩa vật liệu bê tông 30 2.17 Định nghĩa vật liệu cáp dự ứng lực 31 2.18 Định nghĩa thuộc tính mặt cắt 31 2.19 Định nghĩa lắp ghép cấu kiện 31 2.20 Định nghĩa lắp ghép cáp DUL 32

2.22 Thiết lập bước phân tích dao động 32 2.23 Định nghĩa ràng buộc cáp DUL và bê tông 33 2.24 Định nghĩa ràng buộc BMC và dầm T 33 2.25 Định nghĩa ràng buộc dầm ngang và dầm T 34 2.26 Gán tải trọng cáp DUL 34 2.27 Mô hình xây dựng tải trọng di động với vận tốc V (Zanjanizadeh 2009) 35 2.28 Quan hệ thời gian và tải trọng giữa 2 chuỗi nút (Zanjanizadeh 2009) 35 2.29 Khai báo vận tốc xe chạy qua quan hệ thời gian 35

2.31 Xây dựng điều kiện biên 36 2.32 Tạo mạng lưới hệ dầm (mesh) 36 2.33 Tạo mạng lưới cáp DUL (mesh) 37

Số hiệu

2.43 Phổ tần số dao động V=30Km/h – Dầm giữa (L/2) 40 2.44 Phổ tần số dao động V=30Km/h – Dầm biên (L/2) 40 2.45 Phổ tần số dao động V=40Km/h – Dầm giữa(L/2) 41 2.46 Phổ tần số dao động V=40Km/h – Dầm biên (L/2) 41 2.47 Phổ tần số dao động V=50Km/h – Dầm giữa (L/2) 41 2.48 Phổ tần số dao động V=50Km/h – Dầm biên (L/2) 42 2.49 Mặt cắt ngang bố trí cáp DƯL 46 2.50 Khảo sát sự thay đổi tần số dao động 49 3.1 Biểu đồ dao động kết cấu nhịp giản đơn 51 3.2 Các biểu đồ đặc trung khi thử tải động 52

3.4 Hàm FFT sử dụng để phân tích phổ dao động 54 3.5 Các bộ phận của “Wireless Structural Bridges Testing System” 55 3.6 Cảm biến biến dạng, cảm biến chuyển vị và cảm biến gia tốc 55 3.7 Nguyên lý hoạt động của “Wireless Structural Bridges Testing

System”

56

3.8 Công tác khoan lắp đặt cảm biến gia tốc 56 3.9 Lắp đặt cảm biến gia tốc 56 3.10 Công tác lắp đặt cảm biến gia tốc với Node 57 3.11 Công tác lắp đặt thiết bị thu dữ liệu 57 3.12 Kích thước xe thử tải 58

3.14 Sơ đồ bố trí điểm đo dao động của cầu 59 3.15 Sơ đồ xếp tải đo dao động, V = 20,30,40,50Km/h 59 3.16 Điều động tải trọng thử 60 3.17 Công tác thu thập dữ liệu 60 3.18 Thực nghiệm đo dao động cầu Khe Bó 60 3.19 Biểu đồ gia tốc giao động nhịp 2 – Dầm D1 (V=20Km/h) 61 3.20 Phổ tần số và năng lượng nhịp 2 – Dầm D1 (V=20Km/h) 61 3.21 Biểu đồ gia tốc giao động nhịp 2 – Dầm D2 (V=20Km/h) 62 3.22 Phổ tần số và năng lượng nhịp 2 – Dầm D2 (V=20Km/h) 62 3.23 Biểu đồ gia tốc giao động nhịp 2 – Dầm D3 (V=20Km/h) 63 3.24 Phổ tần số và năng lượng nhịp 2 – Dầm D3 (V=20Km/h) 63 3.25 Biểu đồ gia tốc giao động nhịp 2 – Dầm D1 (V=30Km/h) 64 3.26 Phổ tần số và năng lượng nhịp 2 – Dầm D1 (V=30Km/h) 64

Số hiệu

3.27 Biểu đồ gia tốc giao động nhịp 2 – Dầm D2 (V=30Km/h) 65 3.28 Phổ tần số và năng lượng nhịp 2 – Dầm D2 (V=30Km/h) 65 3.29 Biểu đồ gia tốc giao động nhịp 2 – Dầm D3 (V=30Km/h) 66 3.30 Phổ tần số và năng lượng nhịp 2 – Dầm D3 (V=30Km/h) 66 3.31 Biểu đồ gia tốc giao động nhịp 2 – Dầm D1 (V=40Km/h) 67 3.32 Phổ tần số và năng lượng nhịp 2 – Dầm D1 (V=40Km/h) 67 3.33 Biểu đồ gia tốc giao động nhịp 2 – Dầm D2 (V=40Km/h) 68 3.34 Phổ tần số và năng lượng nhịp 2 – Dầm D2 (V=40Km/h) 68 3.35 Biểu đồ gia tốc giao động nhịp 2 – Dầm D3 (V=40Km/h) 69 3.36 Phổ tần số và năng lượng nhịp 2 – Dầm D3 (V=40Km/h) 69 3.37 Biểu đồ gia tốc giao động nhịp 2 – Dầm D1 (V=50Km/h) 70 3.38 Phổ tần số và năng lượng nhịp 2 – Dầm D1 (V=50Km/h) 70 3.39 Biểu đồ gia tốc giao động nhịp 2 – Dầm D2 (V=50Km/h) 71 3.40 Phổ tần số và năng lượng nhịp 2 – Dầm D2 (V=50Km/h) 71 3.41 Biểu đồ gia tốc giao động nhịp 2 – Dầm D3 (V=50Km/h) 72 3.42 Phổ tần số và năng lượng nhịp 2 – Dầm D3 (V=50Km/h) 72 3.43 Điều chỉnh lực căng cáp DUL 73 3.44 Khảo sát sự thay đổi tần số dao động 74 3.45 Dao động mode 1 ứng với lực căng Ptk-10% 74 3.46 Dao động mode 1 ứng với lực căng Ptk-5% 75 3.47 Dao động mode 1 ứng với lực căng Ptk-9% 76 3.48 Phổ tần số dao động V=50Km/h – Dầm giữa (L/2) ứng với lực căng

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Hình 1: Tính cấp thiết của đề tài

Cân đối nguồn ngân sách trong bối cảnh nền kinh tế hiện nay là bài toán khó khăn cho tất cả các ngành, đặc biệt là ngành GTVT Để hiểu tại sao tác giả lại chọn đề tài này, xin điểm qua nền kinh tế Việt Nam, sự đầu tư phát triển cơ sở hạ tầng và bài toán sửa chữa, bảo trì trong ngành giao thông qua các nội dung dưới đây:

Sự tăng trưởng của nền Kinh tế Việt Nam: Nền kinh tế Việt Nam đang trên đà

hội nhập và phát triển, tốc độ tăng trưởng đạt 7% (Dự kiến năm 2019) thuộc nhóm các nền kinh tế có tốc độ tăng trưởng cao nhất khu vực và thế giới Trong bối cảnh thương mại hóa nền kinh tế toàn cầu như hiện nay, sự tăng trưởng của nền kinh tế Việt Nam trên vừa là cơ hội cũng là thách thức và khó khăn Với chiến lược phát triển bền vững Việt Nam giai đoạn 2011-2020 được Thủ tướng phê duyệt tại Quyết định số 432/QĐ-TTg ngày 12/4/2012 thì việc đầu tư phát triển cơ sở hạ tầng, giao thông là hết sức cấp bách và cần thiết

Sự cần thiết phải đầu tư phát triển kết cấu hạ tầng giao thông vận tải: Kết

cấu hạ tầng giao thông vận tải có vai trò nền móng là tiền đề vật chất hết sức quan trọng cho mọi hoạt động vận chuyển, lưu thông hàng hoá Nếu không có một hệ thống đường giao thông đầy đủ, đảm bảo tiêu chuẩn thì các phương tiện vận tải như các loại

xe ô tô, tàu hoả, máy bay sẽ không thể hoạt động tốt được, không đảm bảo an toàn, nhanh chóng khi vận chuyển hành khách và hàng hoá Vì vậy chất lượng của các công trình hạ tầng giao thông là điều kiện tiên quyết ảnh hưởng đến chất lượng hoạt động vận tải nói riêng và ảnh hưởng đến sự phát triển của nền sản xuất kinh tế- xã hội nói chung Một xã hội ngày càng phát triển thì nhu cầu vận tải ngày càng tăng đòi hỏi cơ

sở hạ tầng giao thông phải được đầu tư thích đáng cả về lượng lẫn về chất

Sửa chữa, bảo trì đường bộ: Theo Bộ GTVT, kể từ năm 2013 khi Quỹ Bảo trì

đường bộ đi vào hoạt động, công tác quản lý, bảo trì hệ thống đường bộ ngày càng được cải thiện, đã tập trung giải quyết các hư hỏng trên hệ thống quốc lộ Tuy nhiên, nguồn Quỹ Bảo trì Trung ương hiện nay chưa đáp ứng được như cầu tối thiểu của công tác bảo trì hệ thống quốc lộ, trong đó năm 2018 mới chỉ đáp ứng được 34,81% nhu cầu Hiện nay, nguồn vốn cho công tác quản lý, bảo trì mới chỉ đáp ứng được 44,05% nhu cầu bằng nguồn thu sử dụng đường bộ và hỗ trợ từ ngân sách nhà nước Thực tế cho thấy còn 66% chiều dài quốc lộ quá thời hạn sửa chữa định kỳ vẫn chưa được bảo trì do thiếu vốn

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 Bên cạnh đó, nhiều cây cầu BTCT cũ được xây dựng sau này 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 giao 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 2: Hiện trạng những cây cầu “oằn mình” vì xe quá tải

Qua những số liệu phân tích trên, thấy được ở Việt Nam hiện nay cùng với sự phát triển của nền kinh tế thì hạ tầng giao thông cũng đang được đổi thay mạnh mẽ với nhiều công nghệ thiết kế và thi công tiên tiến được áp dụng

Mặt dù nền kinh tế đang trên đà phát triển, tuy nhiên việc đầu tư xây dựng mới các công trình cầu nhằm đáp ứng nhu cầu đi lại đang rất hạn chế, một phần do nguồn ngân sách còn thiếu Vì vậy, công tác khôi phục, giữ vững trạng thái kỹ thuật của các công trình cầu là hết sức cần thiết, phù hợp với xu hướng phát triển và ngân sách hiện nay

Số lượng cầu BTCT DƯL ở nước ta hiện nay chiếm tỉ lệ khá lớn Để giải quyết được bài toán khôi phục, giữ vững trạng thái kỹ thuật và nâng cao khả năng phục vụ

đối với kết cấu bê tông cốt thép dự ứng lực thì việc xác định lực căng còn lại trong dầm cầu sau nhiều năm khai thác sử dụng là hết sức cần thiết

Do đó, tác giả đã chọn đề tài: “Dự đoán lực căng còn lại của dầm cầu Khe Bó

tại Km 37+819.79, trên tuyến La Sơn – Nam Đông, tỉnh Thừa Thiên Huế bằng đo đạc tần số dao động và mô hình số”

2 Đối tượng nghiên cứu

- Cầu Khe Bó tại Km37+819.79, huyện Nam Đông, tỉnh Thừa Thiên Huế

- Công nghệ căng cáp DUL ngoài

3 Mục tiêu nghiên cứu

- Xác định tần số dao động của cầu bằng mô hình số

- Thực nghiệm đo đạc được tần số dao động của cầu

- Dự đoán lực căng còn lại của cầu thông qua thực nghiệm và mô hình hóa

4 Phương pháp nghiên cứu

- Kết hợp giữa đo đạc thực nghiệm và phân tích phần tử hữu hạn

5 Kết cấu của luận văn

Chương 1: Tổng quan về công tác đánh giá năng lực chịu tải của kết cấu bê tông cốt thép dự ứng lực

1.1 Tổng quan về cầu Khe Bó tại Km37+819.79, huyện Nam Đông, tỉnh Thừa Thiên Huế 1.2 Tổng quan về các biện pháp đánh giá năng lực chịu tải của cầu

1.3 Tổng quan về các phương pháp dự đoán lực căng còn lại của kết cấu bê tông cốt thép dự ứng lực 1.4 Những khó khăn trong quá trình dự đoán lực căng còn lại của kết cấu bê tông cốt thép dự ứng lực 1.5 Kết luận chương

Chương 2: Khảo sát ảnh hưởng của lực căng cáp trong dầm đến tần số dao động của cầu bằng phần mềm Abaqus

2.1 Giới thiệu phần mềm Abaqus

2.2 Mô hình hóa cầu trên phần mềm Abaqus

2.3 Xác định sơ bộ lực căng còn lại trong dầm cầu Khe Bó

2.4 Khảo sát ảnh hưởng của lực căng cáp trong dầm đến tần số dao động của cầu 2.5 Đánh giá kết quả

2.6 Kết luận chương

Chương 3: Dự đoán lực căng còn lại của cầu thông qua thực nghiệm

3.1 Cơ sở lý thuyết để dự đoán lực căng cáp dự ứng lực trong dầm

3.2 Thực nghiệm đo đạc tần số dao động của cầu

3.3 So sánh tần số dao động thông qua thực nghiệm và mô hình hóa

3.4 Khảo sát sự thay đổi tần số dao động trong dầm do lực căng

3.5 Xác định lực căng còn lại của dầm

3.6 Kết luận chương

Kết luận và kiến nghị

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG TÁC ĐÁNH GIÁ NĂNG LỰC CHỊU TẢI CỦA

KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP DỰ ỨNG LỰC

1.1 Tổng quan về cầu Khe Bó tại Km37+819.79, huyện Nam Đông, tỉnh Thừa Thiên Huế

Hình 1.1: Cầu Khe Bó – Km 37+819,79

Hình 1.2 Hiện trạng cầu Khe Bó – Km 37+819,79

1.1.1 Kết cấu cầu

Cầu Khe Bó lý trình Km37+819.79 nằm trên đường La Sơn - Nam Đông thuộc địa phận huyện Nam Đông, tỉnh Thừa Thiên Huế, tại vị trí xây dựng cầu đã có cầu cũ bằng BTCT gồm 2 nhịp giản đơn dầm T BTCT DƯL L=24m, bề rộng cầu 4.7m, tải trọng thiết kế H30 (tương đương hoạt tải HL93 theo 22TCN 272-05), cầu Khe Bó được thiết kế mở rộng thêm trên cơ sở cầu cũ hiện có đảm bảo khổ cầu tương đương đường cấp 3 với những nội dung sau:

1.1.1.1 Tiêu chuẩn kỹ thuật

- Quy mô công trình: vĩnh cửu bằng BTCT và BTCT DUL

- Tần suất thiết kế: P=1%

- Tải trọng thiết kế: HL93, đoàn người 300 kg/m2

- Bề rộng cầu: (8.72+2x0.35) = 9.42 m

- Tiêu chuẩn áp dụng: tiêu chuẩn thiết kế cầu 22TCN 272-05

Hình 1.3 Bố trí chung cầu Khe Bó - Km 37+819.79

1.1.1.2 Phương án kết cấu

a Kết cấu thượng bộ:

- Tận dụng cầu cũ, mở rộng thêm về phía hạ lưu 4.7m Cầu bao gồm 2 nhịp dầm

T BTCT DƯL L=24m Chiều dài toàn cầu L=54.15m

- Mặt cắt ngang cầu gồm 4 dầm T: 2 dầm cũ tận dụng, 2 dầm mới đặt cách nhau 2.4m

Hình 1.4 Kết cấu thượng bộ cầu Khe Bó - Km 37+819.79

Hình 1.5 Cắt ngang dầm T24m Cầu Khe Bó - Km 37+819.79

+ Gối cầu: dùng gối cao su cốt bản thép

+ Khe co giãn: bằng tấm cao su, liên kết với kết cấu nhịp bằng bulông M16

b Kết cấu hạ bộ:

- Mố cầu: Hai mố cầu dạng mố chân dê bằng BTCT f'c=25MPa Móng cọc khoan nhồi D=1.0m, chiều dài dự kiến L=13.0m đối với mố M1, L=10m đối với mố M2, mũi cọc ngàm trong lớp đá bột kết màu vàng nâu, phong hóa nứt nẻ, đá tương đối cứng

Hình 1.7: Mặt cắt ngang tại trụ cầu Cầu Khe Bó - Km 37+819.79

- Trụ cầu: Trụ cầu kiểu chữ "T" bằng BTCT f'c=25MPa Móng gồm 4 cọc khoan nhồi D=1.0m, chiều dài dự kiến L=3.0m, mũi cọc ngàm trong lớp đá bột kết màu vàng nâu, phong hóa nứt nẻ, đá tương đối cứng

Hình 1.8: Mặt cắt ngang tại trụ cầu Cầu Khe Bó - Km 37+819.79

- Bản quá độ BTCT 25MPa đổ tại chỗ trên lớp đá dăm đệm dày 30cm

- Phần tứ nón mố phía hạ lưu cầu cũ được tháo bỏ, gia cố nón mố cầu mới bằng

đá hộc xây VXM M100 dày 30cm, chân khay bằng BT f'c=16MPa

c Đường đầu cầu:

- Đường đầu cầu: đường cấp III miền núi theo tiêu chuẩn 22TCN 4054-2005, Eyc ≥ 140Mpa

- Trong phạm vi 10m sau mố mở rộng nền đường mỗi bên 0.5m, tương đương với bề rộng nền đường là 10.42m, mặt đường rộng 8.72m đoạn tiếp theo vuốt nối vào đường hai đầu cầu

- Mái ta luy phạm vi 10m đầu cầu được ốp mái bằng đá hộc xây vữa M100, chân khay cấu tạo giống chân khay tứ nón

1.1.2 Các dạng hư hỏng trong kết cấu nhịp cầu Khe Bó – Km 37+819.79

1.1.2.1 Các dạng hư hỏng trong kết cấu dầm BTCT dự ứng lực

- Hư hỏng do sự dịch chuyển vị trí: Dầm cầu bị võng hoặc bị dịch chuyển và

đang phát triển một cách nhanh chóng, kéo theo kích thước hình học của mặt cầu bị sai lệch nhiều

- Hư hỏng do phong hóa bê tông: Bê tông của các công trình ở sông hoặc biển

là đối tượng của xói mòn do dòng chảy mạnh, do sự cuốn trôi của các vật thể rắn của nước Biểu hiện trực tiếp của sự phá hủy này là ở chỗ tiếp xúc của bê tông, bề mặt bị mài mòn do bị cọ xát liên tục lặp đi lặp lại

- Hư hỏng do hiện tượng mỏi của thép: Dưới tác động của một số lớn lần thay

đổi ứng lực, cốt thép có thể bị giảm yếu do mỏi

- Hư hỏng do bị nứt bê tông: Đây là dạng hư hỏng phổ biến nhất Tùy thuộc vào

cấu tạo công trình mà các vết nứt có thể xuất hiện ở nhiều dạng khác nhau Về tổng thể

ta có các loại vết nứt như sau:

+ Các vết nứt do co ngót: Loại vết nứt này thường xuyên xuất hiện trong lớp bề

mặt của bê tông do quá trình co ngót không đều Nguyên nhân là do hàng lượng xi măng quá nhiều trong hỗn hợp bê tông, do đặc điểm của dạng kết cấu, do cách bố trí cốt thép không phù hợp Dấu hiệu đặc trưng của các vết nứt co ngót dạng này là chúng phân bổ ngẫu nhiên không định hướng, có chiều dài ngắn và nhỏ li ti Các vết nứt này có thể phát triển thành các vết nứt do lực

+ Các vết nứt nghiêng: Đây là loại vết nứt thường xuất hiện ở bụng dầm do ứng

suất chủ quả lớn Chúng đặc biệt nguy hiểm trong các kết cấu dự ứng lực vì có thể giảm nhiều năng lực chịu tải

+ Các vết nứt dọc: Chúng xuất hiện ở chỗ tiếp giáp đáy bản mặt cầu giáp với

phần sườn dầm, được coi là nguy hiểm vì giảm năng lực chịu tải của kết cấu nhịp Nguyên nhân chính là do sai sót trong công nghệ chế tạo kết cấu

+ Các vết nứt ngang trong bản mặt cầu: Nguyên nhân do mô men uốn tạo ra quá

lớn lúc cẩu dầm để lắp ghép hoặc do dự ứng lực nén quá mạnh Trong các dầm đơn giản thì trong quá trình khai thác, các vết nứt này có thể khép lại

+ Các vết nứt ngang trong bầu dưới ở vùng chịu kéo chứa cốt thép dự ứng lục:

Vết nứt này chứng tỏ thiếu dự ứng lực, mất mát dự ứng suất quá nhiều do co ngót, từ biến của bê tông và mấu neo làm việc không bình thường Các vết nứt này không làm giảm khả năng chịu tải tính toán của kết cấu nhịp nhưng có thể tạo điều kiện cho ri ăn mòn cốt thép dự ứng lực và giảm dần tuổi thọ của nó

+ Các vết nứt dọc trong bầu dầm chứa cốt thép dự ứng lực: Xuất hiện ngay trong

những năm đầu khai thác cầu Nguyên nhân là do biến dạng ngang lớn khi dự ứng lực nén mạnh bê tông và do co ngót bị cản trở Hậu quả là rỉ nhanh và trầm trọng ở cốt thép dự ứng lực, các sản phầm do rỉ tạo ra sẽ trương nở to thêm vết nứt, khiến rỉ càng nhanh hơn và sớm phá hoại kết cấu nhịp

+ Các vết nứt ngang ở đoạn đầu dầm: Xuất hiện do ứng suất cục bộ quá lớn ở

bên dưới mấu neo cốt thép dự ứng lực Phát triển trong thời kỳ đầu khai thác cầu

+ Các vết nứt ở bên trên thớt gối: Nguyên nhân là do cấu tạo cốt thép đặt ở đầu

dầm không đủ và cấu tạo đầu dầm không hợp lý (neo đặt quá sát nhau, thớt gối ngắn,

Sự làm việc của thớt gối có ảnh hưởng đến loại vết nứt này Nếu gối di động bị kẹt không hoạt dộng tốt sẽ gây ra các ứng lực phụ làm tăng các vết nứt này

3 - Nứt dọc tại chỗ tiếp giáp bản cánh và sườn dầm 4 - Nứt ngang bản cánh trên

5 - Nứt ngang bầu dầm dưới 6 - Nứt dọc bầu dầm dưới

7 - Nứt ở vùng sát gối 8 - Nứt ngang ở đầu dầm

+ Vỡ bê tông bầu dầm tại vị trí gối: Có trên 90% các cầu dầm chữ T, khe co giãn

bằng bản thép đều bị hiện tượng này Nứt vỡ do bê tông chất lượng kém, dầm không

mở rộng tại vị trí gối nên lực ép cục bộ gây nứt vỡ

Hình 1.10: Nứt vỡ bê tông bên trên thớt gối

+ Nứt vỡ bê tông cánh dầm tại vị trí đầu dầm: Hỏng khe co giãn gây chấn động

cục bộ

+ Bê tông rổ tổ ong, rỉ cốt thép, nứt vỡ: Hầu hết các cầu xây dựng trước những

năm 1990 đều bị khuyết tật này (chiếm trên 90%) Các vị trí khuyết tật này phỉ biến là các mối nối dọc hoặc dưới bản cánh đặc biệt là dầm biên do ống thoát nước kém hoặc nước mưa tạt

Hình 1.11: Bê tông rổ tổ ong, rỉ cốt thép, nứt vỡ 1.1.2.2 Các dạng hư hỏng trong kết cấu nhịp cầu

Hư hỏng phần mặt cầu do các nguyên nhân sau:

- Do bong lớp nhựa phủ mặt: Hầu hết các cầu thường bị hỏng lớp phủ mặt trên

cùng (BTN nguội hoặc nóng) Nguyên nhân chủ yếu do chất lượng bê tông không tốt hoặc bề dày lớp bê tông mỏng

- Do lớp bê tông tạo dốc: Bị hư hỏng do dùng các loại bê tông có cường độ thấp

Lớp này nằm kẹp giữa bê tông cánh dầm và bê tông nhựa phủ phía trên

- Do nứt dọc trên mặt cầu: Đây là hư hỏng phổ biến nhất Vết nứt dọc xuất hiện

trên phạm vị mối nối dọc của các loại dầm chữ T Trên 60% các loại cầu BTCT dầm chữ T được xây dựng từ trước những năm 1990 bị hư hỏng dạng này

- Do nứt ngang mặt cầu: Vết nứt ngang xuất hiện tại phạm vi khe co giãn là do

nhiều nguyên nhân như sau:

+ Sự làm việc của khe co giãn kém sẽ tạo nên vết nứt ngang đầu dầm Các loại khe co giãn bản thép trượt tự do được 1 thời gian (khoảng 2 năm) đã bị cong vênh, bong bật khi bị chấn đọng là vỡ đầu dầm và hỏng mặt Các loại khe dạng tôn uốn logf máng thì chỉ được khoảng thời gian 1-2 năm đã bị đứt, đá rơi xuống chét đầy khe gây cản trở sự dịch chuyển của dầm

+ Các loại khe co giãn cao su được sửa chữa nhưng không đảm bảo yêu cầu, xuất hiện vết nứt ngang tại vị trí tiếp giáp giữa phần bê tông cũ và mới

Ngoài ra còn có các trường hợp bị bong tróc và nhưng hư hỏng khác: Sự tróc mảng của bê tông trải rộng trên toàn bộ bề mặt của kết cấu và làm hư hại đến khả năng làm việc của kết cấu hoặc khi xét thấy nguy hiểm đến an toàn giao thông

Ngoài các hư hỏng thường gặp như trên thì có một số cầu có xuất hiện các hư hỏng khác như: Hai đường đầu cầu bị lún, mố và trụ cầu bị xói lở

1.1.2.3 Hiện trạng cầu Khe Bó - Km 37+819.79

a Kết cấu thượng bộ:

- Lan can tay vịn: Lan can tay vịn bằng thép, hiện còn khai thác còn tốt, bị bong

tróc sơn một số vị trí

- Lớp mặt cầu: Còn khai thác tốt, chưa thấy hư hỏng

- Khe co giãn: Khe co giản loại cao su, chưa bị hư hỏng

Hình 1.14: Khe co giãn

- Dầm cầu: hiện trạng còn tốt, không xuất hiện vết nứt

Hình 1.15: Dầm cầu

- Gối cầu và ụ chống xô: hiện trạng tốt, khai thác bình thường

b Kết cấu hạ bộ:

- Mố cầu: mố bằng BTCT, hiện phủ nhiều rêu

Hình 1.18: Mố cầu

- Trụ cầu: tình trạng còn tốt, chưa thấy xuất hiện vết nứt

Hình 1.19: Trụ cầu

1.2 Tổng quan về các biện pháp đánh giá năng lực chịu tải của cầu

Thiết kế cầu và đánh giá tải trọng cầu có đặc điểm tương đồng về phương pháp

và cùng chung triết lý đảm bảo độ tin cậy khác, tuy nhiên giữa chúng vẫn có sự khác nhau Về cơ bản, việc đánh giá khả năng chịu tải an toàn có liên quan đến việc đánh giá hệ số chịu tải trọng với tải trọng thiết kế, tải trọng thường xuyên hợp pháp và tải trọng đặc biệt

Các cầu theo thống kê hiện tại được thiết kế theo nhiều dạng hoạt tải xe, tùy theo triết ký và tiêu chuẩn thiết kế vào thời điểm cầu được xây dựng Khi mà các tiêu chuẩn

về thiết kế và kiểm định phát triển, kiến thức và kinh nghiệm mới về sức kháng, hình thái hoạt động, tình trạng gia tải thực của cầu được cập nhật Do đó với bất kỳ phương pháp thiết kế nào đã sử dụng, tất cả các cầu phải được kiểm định đánh giá tải trọng với việc sử dụng điều kiện giao thông hiện tại và các tiêu chuẩn cập nhật mới nhất, bất kỳ khi nào có thể thực hiện được, để đảm bảo an toàn

Đối với việc kiểm định khả năng chịu tải của kết cấu, kết quả nói chung được thể hiện qua một hệ số tải trọng là RF, cho một tải trọng nào đó Khi hệ số đánh giá sức chịu tải lớn hơn hay bằng một (RF≥1) thể hiện rằng cầu an toàn cho tải trọng thử

1.2.1 Các phương pháp đánh giá cầu

Theo tiêu chuẩn AASHTO, đối với công trình cầu đường bộ hiện nay có 3 phương pháp đã dùng để đánh giá tải trọng:

- Đánh giá theo hệ số tải trọng và hệ số sức kháng (LRFR) [2];

- Đánh giá theo ứng suất cho phép (ASR) [2];

- Đánh giá theo hệ số tải trọng (LFR) [2]

1.2.2 Đánh giá cầu theo hệ số sức kháng và hệ số tải trọng

- Đánh giá cầu theo hệ số sức kháng và hệ số tải trọng bao gồm ba nội dung: Đánh giá tải trọng thiết kế; Đánh giá tải trọng hợp pháp và Đánh giá tải trọng cấp phép Trong phạm vi đề tài chỉ chú trọng đến hai cấp đánh giá tải trọng là đánh giá tải trọng thiết kế và đánh giá tải trọng hợp pháp để đánh giá tải trọng cầu phục vụ cắm biển hạn chế tải trọng cầu theo QCVN41:2016/BGTVT

1.2.2.1 Đánh giá tải trọng thiết kế

- Theo phương pháp đánh giá cầu theo hệ số tải trọng và sức kháng, tải trọng đánh giá cấp thiết kế là hoạt tải HL93 Tải trọng đánh giá cấp thiết kế được đánh giá ở

02 cấp độ: Độ tin cậy ở cấp độ thiết kế Inventory Rating (viết tắt là IR) và Độ tin cậy cấp thấp hơn Operating Rating (viết tắt là OR)

- Các cầu đạt với kiểm toán hoạt tải thiết kế ở cấp độ IR (hệ số đánh giá RF ≥ 1) thì cũng đạt khi đánh giá cho tải trọng thiết kế cấp OR và mọi tải trọng hợp pháp Hệ

số RF được xác định như sau:

+ RF: Hệ số đáng giá (Hệ số chịu tải trọng);

+ C: Sức kháng danh định của cấu kiện/ kết cấu phụ thuộc vào từng TTGH; + DC: Hiệu ứng của tĩnh tải do các thành phần kết cấu và cấu kiện phụ;

+ DW: Hiệu ứng của tĩnh tải do lớp phủ mặt cầu và các thiết bị phục vụ công cộng; + P: Tải trọng tác động thường xuyên ngoài tĩnh tải Dấu “±” xét đến ảnh hưởng của những tải trọng (P) này là thuận lợi hay không thuận lợi với khả năng chịu hoạt tải;

+ LL: Hiệu ứng của hoạt tải;

+ IM: tác động xung kích của tải trọng;

+ γDC: Hệ số tải trọng LRFD cho những bộ phận kết cấu và cấu kiện phụ;

+ γDW: Hệ số tải trọng LRFD cho lớp phủ mặt cầu và các thiết bị phục vụ công cộng; + γP: Hệ số tải trọng LRFD cho tải trọng thường xuyên ngoài tĩnh tải;

+ γLL: Hệ số hoạt tải đánh giá;

1.2.2.2 Đánh giá tải trọng hợp pháp

Tải trọng hợp pháp là các xe 3, 3-S2 và 3-3, cụ thể như sau:

- Xe 3 có ba trục, chiều dài cơ sở 5,7m, tải trọng 223kN;

- Xe 3-S2 có 5 trục, chiều dài cơ sở 12,5m, tải trọng 321kN;

- Xe 3-3 có 6 trục, chiều dài cơ sở 16,5m, tải trọng 356kN

1.2.2.3 Đánh giá tải trọng cấp phép

Đây là cấp đánh giá tải trọng thứ ba, cấp này chỉ áp dụng cho các cầu không cắm biển hạn chế tải trọng, nghĩa là khi đánh giá tải trọng thiết kế và đánh giá tải trọng hợp pháp có hệ số đánh giá RF ≥ 1

1.2.3 Quy trình đánh giá tải trọng theo phương pháp đánh giá hệ số tải trọng

Công thức (1.1) có thể được viết gọn lại như sau:

+ C: Khả năng chịu tải của bộ phận đánh giá;

+ DL: Hiệu ứng của tải trọng thường xuyên;

+ LL: Hiệu ứng của hoạt tải đánh giá;

+ HL= C – DL là khả năng chịu hoạt tải

1.2.3.3 Tính toán khả năng chịu tải C

Đối với trạng thái giới hạn cường độ, C được xác định bởi:

C S n

C =    R (1.3)

Đối với trạng thái giới hạn sử dụng:

+ Rn: Sức kháng danh định của cấu kiện;

+ fr: ứng suất cho phép được quy định trong Tiêu chuẩn

1.3 Tổng quan về các phương pháp dự đoán lực căng còn lại của kết cấu bê tông cốt thép dự ứng lực

1.3.1 Dao động uốn của dầm BTCT UST nhịp giản đơn dưới tác dụng của hoạt tải

Xét dầm giản đơn chiều dài l có ứng suất trước Hoạt tải di chuyển trên dầm với vận tốc v không đổi có khối lượng m đặt trên một hệ lò xo – giảm chấn, độ cứng lò xo

là k, hệ số cản là d Gọi z là toạ độ tuyệt đối, độ cứng lò xo là k, hệ số cản là d Gọi z

là toạ độ tuyệt đối của vật theo phương thẳng đứng và vị trí của vật thể xác đinh bởi

vt

 =

Hình 1.21: Mô hình dầm dưới tác dụng của vật thể di động

Bằng phương pháp tách cấu trúc, trước hết ta thiết lập phương trình dao dộng của

vật thể theo z, sau đó thiết lập phương trình dao dộng uốn cuỡng bức của dầm ứng suất

trước bằng nguyên lý d'Alembert Các phương trình biểu diễn dao dộng uốn của dầm

có ứng suất truớc chịu tác dụng của vật thể di dộng là một hệ hỗn hợp phương trình đạo hàm riêng và phương trình vi phân thường

Để giải phương trình này ta cần biết thêm các điều kiện biên và các điều kiện đầu Áp dụng phương pháp Ritz-Galerkin ta tìm nghiệm của các phương trình (1.5),(1.6) dưới dạng:

1

w( , ) ( )sin

n r r

(1.8) Trong đó ta sử dụng các ký hiệu: q=[q1, q2,….,qn, z]T, B(t) và C(t) là các ma trận vuông cấp n+1 với các hệ số là hàm theo thời gian Vecto f(t) có dạng f=[f1, f2, …,

fn+1)T với fs=0 (s=1,…,n); fn+1(t)=g

1.3.2 Xác định lực căng cáp trên cơ sở đo tần số dao động riêng

Việc xác định lực căng còn lại của dầm BTCT DƯL bằng cách đo tần số dao động riêng là bài toán có ý nghĩa trong việc xây dựng và bảo dưỡng Về mặt lý thuyết, việc xác định lực căng còn lại trên cơ sở đo tần số riêng không phải là vấn đề khó khăn Tuy nhiên, việc thiết lập một công thức có dạng giải tích tương đối đơn giản để tính toán lực căng dây cáp theo tần số riêng một cách thuận tiện lại là một vấn đề khá

phức tạp Dưới đây, tác giả có tham khảo bài báo “The variation of flexural rigidity

for post-tensioned prestressed concrete beams” của Ta-Heng Wang, Ran Huang và Tz-Wei Wang, trong bài báo đã đưa ra công thức ảnh hưởng của lực căng cáp đến tần

số dao động riêng, tác giả xin trích dẫn:

Phương pháp Rayleigh là một trong những phương pháp xác định tần số tự nhiên

cơ bản gần đúng Vì hệ thống hỗ trợ PCB đơn giản mang tính ước lượng, dựa trên nguyên tắc Rayleigh, động năng cực đại Tmax bằng với thế năng cực đại Vmax Bằng cách cân bằng Tmax đến Vmax.,tần số tự nhiên cơ bản  có thể được thành lập

Động năng của PCB có thể được biểu thị bằng

Trong đó dm là khối lượng phần tử, ( )x là khối lượng trên một đơn vị chiều

dài, còn y là phương trình chuyển động hài hòa được giả sử là y=( )cosx t,thì

.

( ) w( ) sin

chùm tia Khi đó, động năng cực đại có thể được biểu thị bằng

2

Bằng cách bỏ qua công việc được thực hiện bởi lực cắt, thế năng của chùm tia

bị biến dạng có thể được biểu thị bằng

0

12

V =  Md (1.11) Trong đó M là mômen uốn biểu thị bởi

2 0

2 1

2 2 0

2 2 1

2 0

1

2 0

2 1 ( )(w( )) 2

3 3 4

w( )x =K l x( − 2lx +x ) (1.15) Trong đó 0

P = 0, 1 được tính bằng phương trình (1.17) rất gần với giá trị được tính bằng phương trình (1.16)

dMp=Pse(x)(x)d−Psde+Ps(x)dx−e(x)dPs (1.18)

Trong đó P s là lực dự ứng lực, dPs là sự thay đổi lực dự ứng lực sẽ tăng lên ở

một phía và giảm ở phía còn lại đối với dầm có cáp ứng suất trước đối xứng và ứng

suất tại cả hai đầu Do đó, ảnh hưởng của các dP sẽ biến mất lẫn nhau trong quá trình tích hợp và có thể bị bỏ qua

Hình 1.23: Một phần tử PCB với cáp DƯL

Số hạng e (x) là độ lệch tâm của cáp ứng suất trước tại x Đối với các dầm có cáp ứng suất trước hình parabol (P500, P625 và P750), cấu hình của các cáp parabol là:

2 2 0

dM = C P x −lx x l dx− và mômen bổ sung Mx tại x được hiển thị dưới dạng biểu thức (1.23)

M  dM =P C x − lx +l x (1.23) Khi đó thế năng cực đại Vmax có thể được hiển thị như phương trình (1.24) Số hạng đầu tiên ở bên phải của dấu bằng trong biểu thức (1.24) là thế năng cho các chùm mà không có ứng suất trước, và số hạng thứ hai là thế năng bổ sung do ứng suất trước

max

1( )2

- Theo tính toán lý thuyết và mô hình số là giá trị lý tưởng Trong khi không thể

đo trực tiếp dao động của cáp mà thông qua dao động của dầm, xem dầm và cáp là liên kết tuyệt đối Tuy nhiên, thực tế có nhiều hệ số ảnh hưởng đển liên kết này Do vậy

cần xác định các hệ số tính toán như các hệ số về mất mát ứng suất (do trượt neo, do nén đàn hồi, do tự chùng…) và hệ số  sao cho phù hợp với thực tế nhất;

- Do quá trình thi công, việc lắp đặt các ống dẫn, các bó cốt thép dự ứng lực, quá trình căng kéo không chính xác theo thiết kế Dẫn đến giữa thực tế và lý thuyết khác nhau;

- Khó xác định chính xác các thông số đặc trưng của vật liệu (E,I);

- Theo thời gian sử dụng, hiện cầu đã xuống cấp Các đầu neo, ống dẫn, cáp DƯL, bê tông, cốt thép không được như ban đầu;

- Ảnh hưởng của các yếu tố khác chưa lường trước được đến giá trị lực căng còn lại của dầm (Điều kiện môi trường, quá trình thi công, sửa chữa,…);

- Xác định và kiểm soát ứng suất và chuyển vị của dầm trong quá trình đo đạc chất tải để dầm không bị phá hoại

CHƯƠNG 2 KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA LỰC CĂNG CÁP TRONG DẦM ĐẾN TẦN SỐ DAO ĐỘNG CỦA CẦU BẰNG PHẦN MỀM ABAQUS

2.1 Giới thiệu về phần mềm ABAQUS và các ứng dụng

2.1.1 Phương pháp phần tử hữu hạn

Phương pháp phần tử hữu hạn là một phuong pháp số đặc biệt có hiệu quả dể tìm dạng gần dúng của một hàm chưa biết trong miền xác định V của nó Tuy nhiên phương pháp phần tử hữu hạn không tìm dạng xấp xỉ của hàm cần tìm trên toàn miền

V mà chỉ trong từng miền con Vc (phần tử) thuộc miền xác định V Do dó phưong pháp này rất thích hợp với hàng loạt bài toán vật lý và kỹ thuật trong dó hàm cần tìm được xác định trên các miền phức tạp gồm nhiều vùng nhỏ có đặc tính hình học, vật lý khác nhau, chịu những điều kiện biên khác nhau Phương pháp ra đời từ trực quan phân tích kết cấu, rồi được phát biểu một cách chặt chẽ và tổng quát như một phương pháp biến phân hay phương pháp dư có trọng nhưng được xấp xỉ trên mỗi phần tử Trong phương pháp phần tử hữu hạn chia kết cấu công trình thành một số hữu hạn các phần tử Các phần tử này được nối với nhau tại các điểm định trước thường tại đỉnh phần tử (thậm trí tại các điểm trên biên phần tử) gọi là nút Như vậy việc tính toán kết cấu công trình được dựa về tính toán trên các phần tử của kết cấu sau đó kết nối các phần tử này lại với nhau ta được lời giải của một kết cấu công trình hoàn chỉnh Tương

tự như phưong pháp sai phân hữu hạn cũng chia công trình thành các đoạn nhỏ (phần tử) và các trạng thái chuyển vị (trường chuyển vị) v.v… được xác định tại các điểm nút sai phân Sự khác biệt của hai phương pháp là Phương pháp sai phân hữu hạn sau khi tìm được các chuyển vị tại các nút của sai phân còn các điểm nằm giữa hai nút được xác dịnh bằng nội suy tuyến tính, còn phưong pháp phân tử hữu hạn sau khi xác định được chuyển vị tại các nút của phần tử thì các điểm bên trong được xác dịnh bằng hàm nội suy (hàm dạng)

Với bài toán cơ học vật rắn biến dạng, tuỳ theo ý nghĩa vật lí của hàm nội suy có thể phân tích bài toán theo 3 loại mô hình sau:

- Mô hình chuyển vị: Xem chuyển vị là đại lượng cần tìm và hàm nội suy biểu diễn gần dúng dạng phân bố của chuyển vị trong phần tử

- Mô hình cân bằng: Hàm nội suy biểu diễn gần đúng dạng phân bố của ứng suất hay nội lực trong phần tử

- Mô hình hỗn hợp: Coi các đại lượng chuyển vị và ứng suất là 2 yếu tố độc lập riêng biệt Các hàm nội suy biểu diễn gần đúng dạng phân bố của cả chuyển vị lẫn ứng suất trong phần tử

2.1.2 Giới thiệu về phần mềm ABAQUS và các ứng dụng

Hiện nay ABAQUS là một bộ phần mềm 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 đề mô phỏng phi tuyến phức 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 phức hợp, bê tông cốt thép,… ABAQUS không chỉ giải quyết vấn đề trong phân tích kết cấu (ứng suất , chuyển vị), vẫn có khả năng mô phỏng và nghiên cứu vấn đề trong lĩnh vực khác như truyền dẫn nhiệt, phân tích âm thanh, điện tử, phân tích cơ học môi trường điện áp

Hình 2.1 Giao diện phần mềm Abaqus 6.14

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:

- Giao diện trực quan, gần gũi dễ dàng thao tác

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

- Có nhiều tính năng như khai báo thuộc tính của vật liệu mới như Composite, khai báo được các liên kết ràng buộc tùy chọn theo mục đích của người sử dụng

- Thích hợp cho việc nghiên cứu

- Có khả năng tính những bài toán tĩnh và tính toán động

- Có khả năng mô hình những dạng thay đổi phức tạp với vật rắn, cả mô hình hai hoặc ba chiều (2 dầm cũ tận dụng, 2 dầm mới đặt cách nhau 2.4m, nối bản mặt cầu)

- Có thư viện phần tử rộng lớn

- Có thư viện vật liệu tiến bộ, bao gồm một số như vật rắn đàn hồi, đàn dẽo, vật xốp như bọt biển, rồi bê tông, đất, vật liệu dẫn điện và nhiều loại khác…

- Có khả năng giả lập nhiều hiện tượng quan trọng như: dao động, khả năng tiếp xúc của lưu chất với lại kết cấu rắn, âm học, vấn đề bất ổn định…

2.1.3 Cơ sở lý thuyết và phương pháp giải bằng phần mềm ABAQUS

Hình 2.2: Bộ Mođun phân tích phần tử hữu hạn của ABAQUS

Phương trình cân bằng được xây dựng dựa trên sự bảo toàn năng lượng tuân theo định luật nhiệt động học thứ nhất là tỷ lệ thay đổi theo thời gian của năng lượng động lực học và năng lượng ở bên trong một vật thể cân bằng với tổng công sinh ra bởi tác

dụng bên ngoài và lực thể tích

1(2

Ma trận độ cứng Jacobian được xác định từ phương trình cân bằng trạng thái công ảo sau:

Trong đó: τ0, ε: Ứng suất, biến dạng của vật liệu

Abaqus sử dụng phương pháp và thuật toán giải Newton để giải hệ phương trình tuyến tính tìm nghiệm ứng suất hoặc biến dạng tại các nút

Hình 2.3: Ký hiệu hệ trục toạ độ và các thành phần ứng suất

2.2 Mô hình hóa cầu trên phần mềm ABAQUS

2.2.1 Mô hình bằng phần mềm Abaqus

2.2.1.1 Dữ liệu đầu vào

a Kích thước cấu kiện:

- Mặt cắt ngang cầu gồm 4 dầm T BTCT DƯL L=24m: 2 dầm cũ tận dụng, 2 dầm mới đặt cách nhau 2.4m

Hình 2.4 Cắt ngang cầu

Hình 2.5 Kích thước dầm T

Hình 2.6 Mặt cắt dọc dầm T24m

b Vật liệu:

- Bê tông:

+ Bê tông dầm có cường độ chịu nén ở tuổi 28 ngày là f’c=35 Mpa

+ Mô đun đàn hồi bê tông dầm Ec = 31799 Mpa

+ Hệ số Poison: 0.2

- Cáp dự ứng lực: Cáp UST dùng thép có độ chùng thấp theo ASTM A416M: Bó cáp 7 sợi đường kính 12.7mm (Mác 270):

+ Cường độ chịu kéo fpu= 1860 Mpa

+ Giới hạn chảy Fpy = 1674 Mpa

+ Mô đun đàn hồi Ep= 197000 Mpa

+ Nguyên lý lựa chọn tải trọng thử: Dựa vào số liệu hồ sơ cũ, kết quả kiểm toán

và xe thực tế, tác giả lựa chọn tải trọng thử đảm bảo gây ra cưỡng bức dao động đối với kết cấu nhịp

+ Tải trọng thử: xe 20.7T có trục P1=7.245T, trục P2=13.455T; xe 20.94T có trục P1=7.329T, trục P2=13.611T

+ Sơ đồ xe thử tải với khoảng cách các trục như sau:

Hình 2.7 Kích thước xe thử tải

d Điều kiện biên:

- Đầu dầm trái: Gối cố định

- Đầu dầm phải: Gối di động

e Liên kết: Liên kết giữa bê tông và cáp dự ứng lực; dầm ngang, BMC với dầm

T là tuyệt đối

2.2.1.2 Tiến hành mô hình

Quá trình mô hình trải qua 9 bước sau:

B1: Xây dựng cấu kiện

Các cấu kiện cần xây dựng: