NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ CĂNG CÁP DỰ ỨNG LỰC NGOÀI NÂNG CẤP CẦU BẮC PHÈN KM12+550 ĐH16 TRÀ VINH DỰA VÀO KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM. LUẬN VĂN THẠC SĨ X

Trong đó, phương pháp gia cường bằng cáp DƯL ngoài có nhiều ưu điểm phù hợp với cầu dầm DƯL như sức kháng uốn, kháng cắt tăng, dễ kiểm tra bảo dưỡng và quá trình thi công không ảnh hưởng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-

NGÔ THANH ĐIỀN

NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ CĂNG CÁP DỰ ỨNG LỰC NGOÀI NÂNG CẤP CẦU BẮC PHÈN KM12+550 ĐH16 TRÀ VINH DỰA VÀO KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM

Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng Công trình Giao thông

Mã số: 8580205

LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS CAO VĂN LÂM

Đà Nẵng – Năm 2019

LỜI CẢM ƠN

Với sự kính trọng và lòng biết ơn sâu sắc, tôi xin chân thành cảm ơn Thầy giáo hướng dẫn Tiến sĩ Cao Văn Lâm đã hướng dẫn tận tình đồng thời tạo điều kiện tốt nhất

để tôi nghiên cứu và hoàn thành khóa luận tốt nghiệp

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến các thầy cô Khoa xây dựng cầu đường trường Đại học Bách Khoa – Đại học Đà Nẵng đã giúp đỡ và cho tôi những ý kiến đóng góp quý báu và nhiệt tình giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện luận văn

Trong quá trình thực hiện, do nhiều nguyên nhân khác nhau nên đề tài khó tránh khỏi những thiếu sót Tôi rất mong sự đóng góp ý kiến của quý Thầy Cô để đề tài được hoàn thiện hơn

Cuối cùng, tôi xin kính chúc quý Thầy Cô luôn mạnh khỏe

Trà Vinh, ngày 05 tháng 12 năm 2019

Ngô Thanh Điền

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Học viên thực hiện

Ngô Thanh Điền

NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ CĂNG CÁP DỰ ỨNG LỰC NGOÀI

NÂNG CẤP CẦU BẮC PHÈN KM12+550 ĐH16 TRÀ VINH

Học viên: Ngô Thanh Điền Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng Công trình Giao thông

Mã số: 8580205 Khóa: K36 Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng

Tóm tắt - Hiện nay có nhiều biện pháp gia cường cầu như: gia cường bằng bản thép, gia

cường bằng vật liệu composite, gia cường bằng tăng cường tiết diện và gia cường bằng cáp DƯL ngoài Trong đó, phương pháp gia cường bằng cáp DƯL ngoài có nhiều ưu điểm phù hợp với cầu dầm DƯL như sức kháng uốn, kháng cắt tăng, dễ kiểm tra bảo dưỡng và quá trình thi công không ảnh hưởng đến sự khai thác bình thường của cầu….Tuy nhiên, phương pháp này còn một số nhược điểm như thi công ụ neo, ụ chuyển hướng khó khăn, cáp DƯL không

có tính bền với môi trường, tính thẩm mỹ không cao…Để khắc phục những nhược điểm đó, tác giả đi sâu tìm hiểu, đánh giá hiệu quả của phương pháp gia cường bằng cáp DƯL trên cầu thực tế Trước tiên, cần kiểm định cầu cũ để xác định độ võng, đánh giá khả năng chịu tải thực tế và tính toán lực căng còn lại trong dầm Sau đó, tính toán lượng cáp DƯL cần gia cường để đạt tải trọng nâng cấp và kiểm toán theo các trạng thái giới hạn Cuối cùng, cung cấp những yêu cầu và vấn đề cần chú ý trong căng cáp DƯL ngoài Để trong tương lai khi cần gia cường kết cấu cầu bằng phương pháp căng cáp DƯL ngoài thì sẽ có ngay cơ sở tính toán

để biện pháp gia cường đạt kết quả tối ưu nhất

Từ khóa - biện pháp gia cường; bê tông cốt thép; dự ứng lực; kiểm định; cầu

A RESEARCH ON USING EXTERNAL PRESTRESSED CABLE METHOD

TO UPGRADE BAC PHEN KM12+550 ĐH16 BRIDGE

IN TRA VINH PROVINCE Abstract - Currently, there are many bridge strengthening methods such as: strengthening

with steel plate, composite materials, cross-section maximization and prestressed cable In particular, the external prestressed cable has many advantages which are suitable for prestressed bridge beams such as bending resistance, shear resistance increasing, the ease of maintenance and construction which does not affect the normal bridge operation However, this method still has some disadvantages For example, there are difficulties in constructing blister, deviator Besides, the prestressed cable is neither environmental resistance nor high sense To overcome those disadvantages, the author conduct a research in evaluating the effectiveness of the prestressed cable strengthening method on the real bridge Firstly, it is necessary to test the old bridge to determine deflection, assess the actual load capacity and calculate the remaining tension in the beam Secondly, there will have a calculation on the amount of prestressed cable that needing strengthened to reach either upgraded load or audit according to the limited states Finally, provide the requirements and issues in external prestressed cable in order to get the immediately calculation basis for the strengthening method to achieve the best results

Keywords - strengthening method, reinforced concrete, prestressed, verify, bridge

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

LỜI CAM ĐOAN ii

MỤC LỤC iv

DANH MỤC HÌNH ẢNH vii

DANH MỤC BẢNG BIỂU viii

MỞ ĐẦU 1

1.L do ựa chọn ề tài 1

2.Đối tượng nghiên cứu: 2

3.Phạm vi nghiên cứu: 2

4 Mục tiêu nghiên cứu: 2

5 Phương pháp nghiên cứu 2

6 Dự kiến kết cấu của uận văn: 2

CHƯƠNG 1: NÂNG CẤP DẦM CẦU CŨ DỰ ỨNG LỰC BẰNG 4

PHƯƠNG PHÁP DỰ ỨNG LỰC NGOÀI 4

1.1 T ng quan về cầu Bắc Ph n KM12+550 ĐH16 Trà Vinh: 4

1.2 T ng quan về các biện pháp nâng cấp công trình cầu hiện nay 7

1.2.1 Gia cường bằng bản thép 7

1.2.1.1 Phạm vi áp dụng 7

1.2.1.2 Nguyên tắc cấu tạo 8

1.2.1.3 Ưu nhược điểm 9

1.2.1.4 Ứng dụng 9

1.2.2 Gia cường bằng vật liệu Composite 10

1.2.2.1 Phạm vi áp dụng 10

1.2.2.2 Nguyên tắc cấu tạo 10

1.2.2.3 Ưu, nhược điểm 13

1.2.2.4 Ứng dụng 14

1.2.3 Gia cường bằng tăng cường tiết diện 14

1.2.3.1 Phạm vi áp dụng 14

1.2.3.2 Nguyên tắc cấu tạo 14

1.2.3.3 Ưu, nhược điểm 15

1.2.3.4 Ứng dụng 16

1.3 T ng quan về công tác gia cường cầu cũ sử dụng công nghệ căng cáp dự ứng ực ngoài 16

1.3.1 Sơ lược về công nghệ dự ứng lực ngoài 16

1.3.2 Khái niệm về dự ứng lực ngoài 17

1.3.3 Phạm vi ứng dụng 17

1.3.4 Các hình thức bố trí cáp DUL ngoài 18

1.3.5 Các giả thiết trong tính toán và cấu tạo 20

1.3.6 Các hình thức cấu tạo bố trí cáp ngoài dọc cầu 20

1.3.7 Ưu, nhược điểm 22

1.3.8 Ứng dụng 23

1.4 Những khó khăn trong quá trình căng cáp dự ứng ực ngoài 23

1.5 Kết uận chương 24

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ GIA CƯỜNG CẦU 25

BẰNG CÁP DỰ ỨNG LỰC NGOÀI 25

2.1 Cơ sở dự oán ực căng còn ại của cầu cũ 25

2.1.1 Xác định độ vồng do cáp dự ứng lực trong dầm gây ra 25

2.1.2 Xác định độ võng của cầu do tỉnh tải gây ra 25

2.1.3 Tính toán lực kéo còn lại thực tế trong cáp DƯL 25

2.1.4 Xác định độ võng của cầu khi có hoạt tải gây ra 26

2.1.5 Tính toán lực kéo còn lại thực tế trong cáp DƯL 26

2.2 Tính toán ượng cáp dự ứng ực cần b sung 26

2.2.1 Xác định sức kháng uốn còn lại trong dầm 26

2.2.2 Kiểm toán các giới hạn cốt thép 27

2.2.2.1 Kiểm toán hàm lượng cốt thép tối đa 27

2.2.2.2 Kiểm toán về hàm lượng cốt thép tối thiểu 27

2.2.3 Kiểm toán sức kháng cắt còn lại trong dầm 27

2.2.4 Kiểm toán ứng suất trong giai đoạn sử dụng 28

2.2.5 Xác định cáp DUL cần gia cường 28

2.2.6 Số tao cáp DUL cần phải bổ sung 29

2.3 Kiểm toán ại cầu với các trạng thái giới hạn 29

2.3.1 Tính mất mát ứng suất trong quá trình căng kéo cốt thép 29

2.3.1.1 Mất mát ứng suất do biến dạng neo tính theo công thức 30

2.3.1.2 Mất mát ứng suất do nén đàn hồi tính theo công thức 30

2.3.1.3 Mất mát ứng suất do tự chùng tính theo công thức 30

2.3.2 Kiểm toán sức kháng uốn của dầm tại vị trí giữa nhịp 31

2.3.3 Kiểm toán sức kháng cắt của dầm 32

2.3.4 Kiểm toán theo TTGH sử dụng 33

2.3.4.1 Kiểm toán ứng suất của dầm 33

2.3.4.2 Kiểm toán độ võng của dầm 33

2.4 Kết luận chương 34

CHƯƠNG 3: QUY TRÌNH THI CÔNG VÀ KIỂM SOÁT ỨNG SUẤT – CHUYỂN VỊ TRONG QUÁ TRÌNH THI CÔNG CĂNG CÁP DỰ ỨNG LỰC NGOÀI 35

3.1 T chức xác ịnh o ộ võng ở hiện trường 35

3.1.1 Công tác chuẩn bị đo đạc tại hiện trường 35

3.1.2 Tải trọng thử và các sơ đồ xếp tải 35

3.1.2.1 Nguyên tắc xác định tải trọng xe 35

3.1.2.2 Tải trọng thử nghiệm 35

3.1.2.3 Bố trí sơ đồ thử tải 37

3.1.3 Bố trí điểm đo 39

3.2 Tính toán ực căng còn ại trong dầm 45

3.2.1 Dự đoán lực căng còn lại 45

3.2.1.1 Tính toán lực kéo còn lại thực tế trong cáp DƯL: 48

3.2.1.2 Tính toán lực kéo còn lại thực tế trong cáp DƯL: 48

3.2.2 Tính toán lực căng còn lại 48

3.2.2.1 Các thông số kỹ thuật và số liệu đầu vào: 48

3.2.2.2 Tính toán các đặc trưng hình học của mặt cắt 48

3.2.2.3 Tính toán hệ số phân bố ngang đối với hoạt tải 48

3.2.2.4 Tính toán mất mát ứng suất 48

3.2.2.5 Tính toán lực căng còn lại 49

3.3 Kiểm toán dầm với tải trọng nâng cấp 50

3.3.1 Các thông số kỹ thuật và số liệu đầu vào: 51

3.3.2 Tính toán các đặc trưng hình học của mặt cắt 51

3.3.3 Tính toán hệ số phân bố ngang đối với hoạt tải 51

3.3.4 Tính toán nội lực 51

3.3.5 Kiểm toán các trạng thái giới hạn dưới tác dụng tải trọng tính toán xe 7,5T 53

3.3.5.1 Kiểm toán sức kháng uốn 53

3.3.5.2 Kiểm toán sức kháng cắt 54

3.3.5.3 Kiểm toán ứng suất trong giai đoạn sử dụng 55

3.3.6 Tính toán lượng cáp cần gia cường 57

3.3.7 Tính toán mất mát ứng suất 58

3.3.8 Kiểm toán các trạng thái giới hạn 58

3.3.8.1 Kiểm toán cường độ I 58

3.3.8.2 Kiểm toán theo TTGH sử dụng 60

3.4 Quy trình công nghệ thi công căng cáp dự ứng ực 63

3.4.1 Những yêu cầu chung 63

3.4.2 Những vấn đề cần chú ý trong sửa chữa bằng DUL ngoài 63

3.4.2.1 Kiểm soát chuyển vị trong quá trình thi công theo từng cấp 65

3.4.2.2 Kiểm soát ứng suất tại vị trí gối và giữa nhịp trong quá trình thi công theo từng cấp 66

3.5 Kết uận chương 66

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 67

TÀI LIỆU THAM KHẢO 68

PHỤ LỤC

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 0.1: Cầu Bắc Phèn 2

Hình 1.1 : Cầu Bắc Phèn – Km12+550 4

Hình 1.2 : Hiện trạng mặt cầu - Cầu Bắc Phèn 4

Hình 1.3 : Chính diện cầu - Cầu Bắc Phèn 5

Hình 1.4 : Hiện trạng dầm - Cầu Bắc Phèn 5

Hình 1.5: Mặt cắt ngang cầu 6

Hình 1.6: Mặt cắt ngang dầm dọc 6

Hình 1.7: Tăng cường khả năng chịu uốn của dầm bê tông cốt thép 7

Hình 1.8: Tăng cường khả năng chịu cắt của dầm bê tông cốt thép 8

Hình 1.9: Gia cường bằng bản thép dầm BTCT thường 8

Hình 1.10: Cầu Bà Rén (Quảng Nam) 9

Hình 1.11: Cầu đường sắt Km 410+580 10

Hình 1.12: Gia cường bằng tăng cường tiết diện 15

Hình 1.13: Gia cường bằng tăng cường tiết diện trong thực tế 16

Hình 1.14: Tăng cường dầm cầu BTCT bằng DUL ngoài tuyến cáp thẳng 19

Hình 1.15: Tăng cường dầm cầu BTCT bằng DUL ngoài tuyến cáp gẫy khúc 19

Hình 1.16: Tăng cường dầm cầu đơn giản BTCT nhiều nhịp bằng DUL ngoài để liên tục hoá các nhịp dầm 20

Hình 1.17: Neo đặt vào khối dầm ngang đầu dầm 22

Hình 2.1: Sơ đồ tính toán gia cường cáp DUL ngoài 28

Hình 2.2: Sơ đồ kiểm toán gia cường cáp DUL ngoài 31

Hình 2.3: Sơ đồ tính ứng suất của dầm sau gia cường 33

Hình 3.1: Tải trọng thử 36

Hình 3.2: Điều động tải trọng thử 36

Hình 3.3: Xếp tải lệch tâm 37

Hình 3.4: Sơ đồ xếp tải đúng tâm 38

Hình 3.5: Sơ đồ xếp tải lệch tâm thượng lưu 38

Hình 3.6: Sơ đồ xếp tải lệch tâm hạ lưu 39

Hình 3.7: Sơ đồ bố trí điểm đo võng dầm 40

Hình 3.8: Thiết bị đo độ võng 40

Hình 3.9: Lắp đặt thiết bị đo 41

Hình 3.10: Biểu đồ chuyển vị của các dầm dưới tác dụng của tải trọng đúng tâm 42

Hình 3.11: Biểu đồ chuyển vị của các dầm dưới tác dụng của tải trọng lệch tâm thượng lưu 43

Hình 3.12: Biểu đồ chuyển vị của các dầm dưới tác dụng của tải trọng lệch tâm hạ lưu 44

Hình 3.13: Biểu đồ tổng hợp độ võng theo 3 sơ đồ xếp tải 44

Hình 3.14: Biểu đồ mômen tính toán ở TTGHCĐ1 và Sức kháng uốn của dầm 54

Hình 3.15: Biểu đồ lực cắt tính toán ở TTGHCĐ1 và Sức kháng cắt của dầm 55

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1: So sánh đặc trưng ba loại sợi theo Meier 1994 11

Bảng 1.2: So sánh các đặc trưng cơ học của các loại sợi khác nhau với thép 13

Bảng 3.1: Thông số về kích thước và tải trọng xe thử nghiệm 37

Bảng 3.2: Kết quả đo võng và hệ số phân bố ngang các dầm dọc nhịp N1 do hoạt tải tĩnh – sơ đồ 1A 41

Bảng 3.3: Kết quả đo võng và hệ số phân bố ngang các dầm dọc nhịp N1 do hoạt tải tĩnh – sơ đồ 1B 42

Bảng 3.4: Kết quả đo võng và hệ số phân bố ngang các dầm dọc nhịp N1 do hoạt tải tĩnh – sơ đồ 1C 43

Bảng 3.5: Bảng tổng hợp hệ số phân bố ngang đối với hoạt tải gây ra 48

Bảng 3.6: Bảng tổng hợp mất mát ứng suất trong cáp dự ứng lực 49

Bảng 3.7: Bảng nội lực ở TTGHCĐ I đối với dầm trong 51

Bảng 3.8: Bảng nội lực ở TTGHCĐ I đối với dầm biên 51

Bảng 3.9: Bảng nội lực ở TTGHSD đối với dầm trong 52

Bảng 3.10: Bảng nội lực ở TTGHSD đối với dầm biên 52

Bảng 3.11: Kiểm toán dầm ở TTGHCĐ1 dưới tải trọng xe 7,5T 53

Bảng 3.12: Kiểm toán dầm ở TTGHCĐ1 dưới tải trọng xe 7,5T 54

Bảng 3.13: Kiểm toán ứng suất trong giai đoạn sử dụng đối với dầm trong 56

Bảng 3.14: Kiểm toán ứng suất trong giai đoạn sử dụng đối với dầm biên 56

Bảng 3.15: Xác định lượng cáp cần thiết gia cường 57

Bảng 3.16: Tổng hợp các mất mát ứng suất 58

Bảng 3.17: Kiểm toán sức kháng uốn tính toán theo TTGH cường độ I 59

Bảng 3.18: Kiểm toán sức kháng cắt tính toán theo TTGH cường độ I 59

Bảng 3.19: Kiểm toán ứng suất của dầm theo TTGH sử dụng 60

Bảng 3.20: Kiểm toán độ võng 62

Bảng 3.21: Kiểm soát chuyển vị trong quá trình thi công 66

MỞ ĐẦU

1 L do ựa chọn ề tài

Giao thông là một trong những yếu tố quan trọng, không chỉ góp phần thúc đẩy phát triển kinh tế - xã hội, đảm bảo quốc phòng - an ninh, mà còn mở ra cơ hội kết nối giao thương giữa các vùng miền, từ đó thúc đẩy nhanh quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa Vì vậy việc nâng cao chất lượng cơ sở hạ tầng là vấn đề thiết yếu Tuy nhiên, số lượng cầu cũ ở nước ta rất lớn so với số vốn hiện có nên việc lựa chọn các biện pháp nâng cấp công trình cầu để đáp ứng nhu cầu phát triển kinh tế - xã hội như hiện nay là hết sức cần thiết

Hiện nay có rất nhiều biện pháp gia cường cầu như: gia cường bằng bản thép, gia cường bằng vật liệu composite, gia cường bằng cáp DƯL ngoài và gia cường bằng tăng cường tiết diện Trong đó, phương pháp gia cường bằng cáp DƯL ngoài là phù hợp với cầu dầm DƯL do:

- Sức kháng cắt và sức kháng uốn đều tăng mà không làm tăng tĩnh tải kết cấu;

- Kết cấu hở nên dể kiểm tra bảo dưỡng, làm tăng độ tin cậy;

- Các tao cáp có thể căng kéo hay thay đổi khi cần thiết;

- Không ảnh hưởng lớn đến sự khai thác bình thường của cầu

Tuy nhiên phương pháp gia cường bằng cáp DƯL ngoài còn một số khó khăn như:

- Ứng dụng của phương pháp phụ thuộc vào điều kiện hữu hiệu của công trình Cần phải xác định được cường độ của bê tông để không thể kéo quá cường độ cho phép

- Việc thi công các ụ neo và ụ chuyển hướng có thể khó khăn, có thể ảnh hưởng đến cáp DƯL bên trong khi tiến hành khoan thi công ụ neo;

- Cáp DƯL không có tính bền với môi trường Chịu va đập, chịu lửa kém;

- Khó khăn trong việc xác định sức kháng cắt của dầm;

- Phạm vi thi công thường chật hẹp;

- Tính thẩm mỹ của công trình không cao;

- Thi công đòi hỏi phải có sự cẩn thận chi tiết, phụ thuộc nhiều vào năng lực đơn

vị thi công

Vì vậy, nhằm khắc phục những lý do nêu trên, tác giả tiến hành nghiên cứu trên một

công trình cụ thể và quyết định chọn đề tài “Nghiên cứu sử dụng công nghệ căng cáp

dự ứng lực ngoài nâng cấp cầu Bắc Phèn Km12+550 ĐH16 Trà Vinh dựa vào kết quả thực nghiệm”

Hình 0.1: Cầu Bắc Phèn

2 Đối tượng nghiên cứu:

- Các phương pháp đánh giá trạng thái kỹ thuật công trình cầu

- Công nghệ căng cáp DUL ngoài

3 Phạm vi nghiên cứu:

- Cầu Bắc Phèn KM12+550 ĐH16 Trà Vinh

- Nghiên cứu biện pháp và công nghệ căng cáp DƯL ngoài

4 Mục tiêu nghiên cứu:

- Tính toán dự đoán lực căng còn lại trong dầm

- Tính toán lượng cáp dự ứng lực bổ sung

- Tính toán kiểm soát ứng suất – chuyển vị trong quá trình thi công

5 Phương pháp nghiên cứu

- Lý thuyết kết hợp với thực nghiệm

6 Dự kiến kết cấu của uận văn:

Chương 1: Nâng cấp dầm cầu cũ dự ứng ực bằng phương pháp dự ứng ực ngoài

1.1 Tổng quan về cầu Bắc Phèn KM12+550 ĐH16 Trà Vinh

1.2 Tổng quan về các biện pháp nâng cấp công trình cầu hiện nay

1.3 Tổng quan về công tác gia cường cầu cũ sử dụng công nghệ căng cáp dự ứng lực ngoài

1.4 Những khó khăn trong quá trình căng cáp dự ứng lực ngoài

1.5 Kết luận chương

Chương 2: Tính toán thiết kế gia cường cầu bằng cáp dự ứng ực ngoài

2.1 Cơ sở dự đoán lực căng còn lại của cầu cũ

2.2 Tính toán lượng cáp dự ứng lực cần bổ sung

2.3 Kiểm toán lại cầu với các trạng thái giới hạn

2.4 Kết luận chương

Chương 3: Quy trình thi công và kiểm soát ứng suất – chuyển vị trong quá trình thi công căng cáp dự ứng ực ngoài

3.1 Tổ chức xác định đo độ võng ở hiện trường

3.2 Tính toán lực căng còn lại trong dầm

3.3 Kiểm toán dầm với tải trọng nâng cấp

3.4 Quy trình công nghệ thi công căng cáp dự ứng lức

3.5 Kết luận chương

Kết uận và kiến nghị

Tài iệu tham khảo

Phụ ục

CHƯƠNG 1: NÂNG CẤP DẦM CẦU CŨ DỰ ỨNG LỰC BẰNG

PHƯƠNG PHÁP DỰ ỨNG LỰC NGOÀI

1.1 T ng quan về cầu Bắc Ph n KM12+550 ĐH16 Trà Vinh:

Cầu Bắc Phèn nằm tại Km12+550 đường huyện 16, huyện Châu Thành, tỉnh Trà Vinh Cầu có kết cấu nhịp 12,5+12,5+12,5m, mỗi nhịp gồm 4 dầm BTCT DUL tiết diện chữ “T” Hiện tại cầu đang cắm biển tải trọng khai thác 3,5T

Hình 1.1 : Cầu Bắc Phèn – Km12+550

Hình 1.2 : Hiện trạng mặt cầu - Cầu Bắc Phèn

Hình 1.3 : Chính diện cầu - Cầu Bắc Phèn

Hình 1.4 : Hiện trạng dầm - Cầu Bắc Phèn

Hình 1.5: Mặt cắt ngang cầu

Hình 1.6: Mặt cắt ngang dầm dọc

Cầu Bắc Phèn đuợc thiết kế năm 1985 với tải trọng thiết kế H10 và X60 theo quy trình thiết kế cầu cống theo trạng thái giới hạn 22TCN 18-79 bằng cáp DUL căng trước với các nội dung sau:

- Chiều dài toàn cầu Ltc=38,3 m (kể cả chiều dày tường đỉnh)

- Tổng bề rộng cầu: B = B1 + 2B2 = 4,0 m

+ Cầu gồm 3 nhịp L=12,5 m, mỗi nhịp gồm 4 dầm BTCT DUL tiết diện chữ

“T”, chiều cao dầm Hmin=0,5m; Hmax=0,6m, khoảng cách tim các dầm chủ là 0,94m

+ Trên mỗi nhịp có 2 dầm ngang tại vị trí 2 đầu dầm

- Kết cấu phần dưới:

- Mố cầu: Hai mố có kết cấu giống nhau, xà mũ, tường đỉnh và tường cánh bằng BTCT, bờ chài trước mố và nón mố bằng đá hộc xây Mỗi mố gồm hai hàng cọc BTCT (mỗi hàng 3 cọc), tiết diện cọc (35x35)cm

- Trụ cầu: Các trụ có kết cấu giống nhau dạng trụ dẻo BTCT, xà mũ trụ bằng BTCT đặt trên 6 cọc BTCT, tiết diện cọc (35x35)cm

- Đường hai ầu cầu và hệ thống biển báo an toàn giao thông :

- Mặt đường bê tông nhựa hai đầu cầu rộng Bm=3,5m, Bn=5,5m và được vuốt nối nhỏ dần khi vào cầu

+ Mặt đường láng nhựa

+ Hai đầu cầu đặt biển báo tên cầu và biển báo tải trọng 3,5T

1.2 T ng quan về các biện pháp nâng cấp công trình cầu hiện nay

- Tăng cường khả năng chịu chống cắt của dầm bê tông cốt thép

Hình 1.8: Tăng cường khả năng chịu cắt của dầm bê tông cốt thép

1.2.1.2 Nguyên tắc cấu tạo

Nội dung cơ bản của phương pháp là dán 1 hoặc 2 lớp các dải bản thép dày 5-10

mm lên bề mặt bê tông đã được chuẩn bị tốt để khôi phục khả năng chống nứt, khả năng chịu mô men hoặc lực cắt 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 1.9: 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 Ví dụ như Sikadur 731

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

Có thể dán các bản thép nghiêng trên bề mặt thẳng đứng của thành dầm để tăng cường cho các cốt thép xiên và cốt đai chịu lực cắt và ngăn ngừa các vết nứt xiên Cũng có thể dán các bản thép nằm ngang theo hướng ngang cầu ở đáy bản để tăng khả năng chịu lực của bản mặt cầu

 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)

1.2.1.3 Ưu nhược điểm

 Ưu điểm:

- 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

 Nhược điểm:

- Bản thép chỉ tham gia chịu hoạt tải nên tăng được khả năng chịu lực không nhiều;

- Rất khó có giải pháp để bản thép dán thêm tham gia chịu tĩnh tải;

- Chỉ áp dụng cho cầu BTCT thường

1.2.1.4 Ứng dụng

Hình 1.10: Cầu Bà Rén (Quảng Nam)

- Tăng khả năng chịu cắt và chịu uốn của dầm BTCT để sửa chữa, gia cố và tăng cường khả năng chịu tải trọng động

- Tăng cường khả năng chịu uốn của sàn BTCT tại vùng có mô men dương và

mô men âm

- Tăng khả năng chịu uốn và bó cột BTCT để tăng cường khả năng chịu lực và chịu tải động

1.2.2.2 Nguyên tắc cấu tạo

 Nguyên lý công nghệ:

Mục đích của công tác thi công sửa chữa gia cố kết cấu bê tông cốt thép bằng tấm FRP là đặt tấm FRP vào vị trí cần tăng cường khả năng chịu lực với hướng sợi phù hợp với phương chịu lực để tận dụng được khả năng chịu kéo và độ bền của sợi FRP, đồng thời phải đảm bảo cho tấm FRP không bị tách lớp cũng như tách khỏi bề mặt bê tông

 Sơ lược về vật liệu FRP và lịch sử phát triển

FRP có tên tiếng Anh là Fiber Reinforced Polymer là một dạng vật liệu composite được chế tạo từ các vật liệu sợi, trong đó ba loại vật liệu sợi thường được sử dụng là sợi cacbon, sợi thủy tinh, sợi aramid Các sản phẩm FRP tương ứng với các loại sợi sử dụng tạo thành là: CFRP, GFRP, AFRP

Vật liệu FRP có các dạng như FRP dạng tấm, FRP dạng thanh, FRP dạng cáp, FRP dạng vải, dạng cuộn Trong sửa chữa và tăng cường kết cấu thường dùng dạng

tấm và dạng vải Hiện nay trên thế giới có các hãng sản xuất vật liệu FRP như: Sika, Tyfo®, MBraceTB, Toray, Trung Quốc, Ấn Độ

Kết cấu BTCT là loại vật liệu có sự tiến hóa theo thời gian và rất nhạy cảm với các điều kiện môi trường Cả bê tông lẫn thép, hai loại vật liệu cấu thành nên kết cấu BTCT, dưới tác động xâm thực mạnh của môi trường đều dễ bị suy thoái theo thời gian Cách đây vài thế kỷ người ta đã có ý tưởng sử dụng vật liệu composite trong xây dựng Ở các nước châu Âu và Bắc Mỹ như Canada, Mỹ đã nghiên cứu ra loại vật liệu mới nhằm tăng cường khả năng chịu lực cho công trình Sản phẩm composite đầu tiên được biết đến là FRP có cốt sợi thủy tinh và chất nền là polyester dùng để sản xuất vỏ thuyền vào năm 1930 Từ đó vật liệu FRP đã có một cuộc cách mạng toàn diện trên tất

cả các ngành như không gian vũ trụ, ngành điện, giao thông Năm 1940 Hải quân và Không quân Hoa Kỳ đã sử dụng vật liệu FRP vào trong công nghiệp quốc phòng Do

có cường độ cao và trọng lượng nhẹ nên những năm 60 của thế kỷ trước, các ngành hàng không và ngành sản xuât ô tô cũng đã sử dụng loại vật liệu này

 Cấu tạo của vật liệu Composite :

Cốt sợi :

Trong vật liệu FRP chức năng chính của cốt sợi là chịu tải trọng, cường độ, độ cứng, ổn định nhiệt Vì vậy, cốt sợi được sử dụng để sản xuất vật liệu FRP phải đảm bảo các yêu cầu sau đây:

- Mô đun đàn hồi cao;

- Cường độ tới hạn cao;

- Sự khác biệt về cường độ giữa các sợi với nhau là không lớn;

- Cường độ ổn định cao trong vận chuyển;

- Đường kính và kích thước các sợi phải đồng nhất

Vật liệu FRP được sản xuất từ các vật liệu sợi trong đó có ba loại vật liệu thường

sử dụng là sợi cacbon, sợi thủy tinh và sợi aramid

Bảng 1.1: So sánh đặc trưng ba loại sợi theo Meier 1994

Cường độ chịu kéo

Mô đun đàn hồi

Rất tốt Tốt Tốt Tốt Đặc biệt tốt Tốt Trung bình

Rất tốt Trung bình Trung bình Trung bình Trung bình Không tốt Rất rẻ

Chất dẻo nền:

Trong vật liệu FRP chất dẻo nền có vai trò là chất kết dính Các chức năng chủ yếu của chất dẻo nền:

- Truyền lực giữa các sợi riêng rẽ;

- Bảo vệ bề mặt của các sợi khỏi bị mài mòn;

- Bảo vệ các sợi, ngăn chặn mài mòn và các ảnh hưởng do môi trường;

- Kết dính các sợi với nhau;

- Phân bố, giữ vị trí các sợi vật liệu FRP;

- Thích hợp về hóa học và nhiệt với cốt sợi

Trong vật liệu FRP thì chất dẻo nền có chức năng truyền lực giữa các sợi, các cốt sợi chịu tải trọng, cường độ, độ cứng, ổn định nhiệt Chất dẻo nền dùng để sản xuất vật liệu FRP thường sử dụng là epoxy, viny lester, polyester

- Polyester: Chất dẻo nền polyester có tính kinh tế nhất và được sử dụng rộng rãi Trong những năm gần đây, gần nữa triệu tấn polyester được sử dụng mỗi năm ở Mỹ để sản xuất vật liệu composite Ưu điểm của polyester là tính nhớt thấp, giá thành thấp, và

ít độc Nhược điểm của polyester là độ co ngót lớn

- Viny lester: Có tính dẻo và độ bền cao hơn polyester Ưu điểm của viny lester

là có sức kháng ăn mòn tốt và cũng có tính chất hóa học và vật lý tốt như cường độ chịu kéo và chịu mỏi cao Viny lester có giá thành cao

- Epoxy: Được sử dụng rộng rãi hơn polyester và viny lester Những ưu điểm chính của epoxy bao gồm:

 Không bay hơi và độ co ngót thấp trong suốt quá trình lưu hóa;

 Sức kháng rất tốt với sự thay đổi hóa học;

 Dính bám với cốt sợi rất tốt

 Các đặc trưng cơ bản của vật liệu FRP:

Vật liệu FRP có cường độ và độ cứng phụ thuộc vào vật liệu hợp thành, đặc trưng vật liệu của FRP phụ thuộc vào đường kính sợi, hướng phân bố các sợi và các đặc trưng cơ học của chất dẻo nền

Hiện nay sợi cacbon và sợi thủy tinh với cấu trúc nền là epoxy được sử dụng rộng rãi Sợi cacbon và sợi thủy tinh cũng có nhược điểm riêng của từng loại Sợi aramid độ bền thấp, trong môi trường nhiệt độ cao thì làm việc kém Trong khi đó sợi cacbon có mô đun đàn hồi cao nên được sử dụng phổ biến trong các kết cấu xây dựng Đặc trưng cơ học của FRP phụ thuộc vào những yếu tố dưới đây:

- Đặc trưng cơ học của sợi (sử dụng sợi cacbon, sợi aramid hay sợi thủy tinh);

- Đặc trưng cơ học của chất nền (sử dụng Epoxy, Vinylester hay Polyester);

- Tỷ lệ giữa sợi và chất nền trong cấu trúc FRP;

- Hướng phân bố của các sợi trong chất nền

Bảng 1.2: So sánh các đặc trưng cơ học của các loại sợi khác nhau với thép

Ứng suất chảy

Ksi (MPa)

40-75

Cường độ chịu kéo

Ksi (MPa)

70-100 (483-690)

70-230 (483-1600)

87-535 (600-3690)

250-368 (1720-2540)

Mô đun đàn hồi

x10 3 ksi (MPa)

29 (200)

5,1-7,4 (35-51)

15,9-84 (120-580)

6,0-18,2 (41-125)

 Trình tự thi công:

- Vệ sinh bề mặt vị trí cần gia cường

- Pha trộn tỉ lệ keo theo hướng dẫn của nhà sản xuất

- Quét keo lên bề mặt vị trí cần gia cường

- Cường độ chịu kéo, mô đun đàn hồi rất cao và trọng lượng nhỏ;

- Khả năng chống mài mòn cao, có sức đề kháng tốt với các chất xâm thực;

- Thi công nhanh chóng, đơn giản;

- Không cần nhiều thiết bị máy móc và ít tốn nhân công;

- Giữ nguyên hình dạng kết cấu cũ không cần phải đập phá kết cấu;

- Thi công không cần sử dụng coffa;

- Công trình sau khi được sửa chữa và tăng cường có tính mỹ quan cao

 Nhược điểm:

- Giá thành tương đối cao

- Vấn đề phá hoại của liên kết kao dán và bị phá hoại bởi tia UV

- Tuy nhiên có thể khắc phục được:

 Giá: Giảm do sự cải tiến trong công nghệ sản xuất và nhu cầu sử dụng ngày càng tăng;

 Xử lỳ bề mặt bê tông, tính toán thiết kế và bố trí các dạng neo chống lại hiện tượng tách lớp khi dán;

 Sơn lên bể mặt vật liệu FRP một lớp sơn đặc biệt chống lại sự phá hoại của tia UV

1.2.2.4 Ứng dụng

 Thế giới:

Công nghệ vật liệu FRP để tăng cường khả năng chịu lực của các công trình đã được áp dụng ở nhiều nơi trên thế giới đặc biệt ở khu vực Bắc Mỹ, tại Nhật Bản và tại một số nước Châu Âu

Để gia cố hai cây cầu Grӧndal và Alvik (cầu bê tông dự ứng lực, mặt cắt hộp) ở Thụy Điển, tổng cộng 6000m tấm vật liệu composite sợi cacbon đã được sử dụng, trong đó 2000m được dùng cho cầu Grӧndal và 4000m được dùng cho cầu Alkin Tiến hành thử nghiệm trên 7 mẫu dầm bê tông cốt thép, hai tác giả Dat Duthinh và Monica Starnes đã đưa ra kết luận việc sử dụng tấm vật liệu CFRP để tăng cường khả năng

chịu uốn cho dầm bê tông cốt thép là rất có hiệu quả

 Việt Nam:

Đối với Việt Nam tại khu vực miền Trung chúng ta đã tiến hành thi công gia cường cầu Ô Sông ở Quảng Ngãi, kết quả công trình sau khi gia cường đã tăng cường khả năng chịu lực từ 20-40% Hiện nay chúng ta cũng đang áp dụng biện pháp gia cường bằng các tấm vật liệu composite sợi cacbon vào cầu Lắm tỉnh Khánh Hòa, cầu Thừa Lưu ở Huế, cầu Gián Khẩu ở Ninh Bình, trụ cầu Thuận Phước, tầng mái Khách Sạn Holiday ở Đà Nẵng và hàng loạt các dự án chuẩn bị áp dụng công nghệ dám tấm vật liệu composite nhằm khôi phục khả năng làm việc hoặc tăng cường khả năng chịu lực các công trình kể cả cũ lẫn mới

1.2.3 Gia cường bằng tăng cường tiết diện

1.2.3.1 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

1.2.3.2 Nguyên tắc cấu tạo

- Tăng cường tiết diện bê tông

- Tăng cường tiết diện cốt thép

- Tăng cường tiết diện bê tông kết hợp tăng cường tiết diện cốt thép

1–Vùng được tăng cường 2–Cốt thép cũ 3–Cốt thép thêm vào 4–Mối hàn

Hình 1.12: Gia cường bằng tăng cường tiết diện

Nếu mức độ tăng cường khả năng chịu lực của dầm không nhiều lắm chỉ cần tăng

số lượng cốt thép chủ bằng cách hàn thêm 1 số cốt thép phụ vào những cốt thép chủ của dầm, rồi trát vữa xi măng hay bê tông phun Có thể hàn trực tiếp cốt thép mới vào cốt thép cũ hoặc đặt 1 miếng nêm vào giữa chúng (miếng nêm là đoạn thép tròn, đường kính 10mm - 30mm, dài 8mm - 20mm), các đoạn hàn cách nhau khoảng 100cm Như vậy chiều cao tiết diện được gia cường tăng lên 2cm - 8cm

Nếu cần tăng cường 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

 Vật liệu:

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 30mm - 40mm và không dưới 60mm khi đổ thủ công

 Trình tự thi công:

- Vệ sinh vị trí cần gia cường tiết diện

- Lắp đặt cốt thép, ván khuôn, trang thiết bị thi công

- Đổ bê tông tăng cường tiết diện

- Bê tông đạt cường độ thì tháo dỡ ván khuôn, hoàn thiện đưa vào sử dụng

1.2.3.3 Ưu, nhược điểm

 Ưu điểm:

- Sửa chữa được những hư hỏng có trước trong cấu kiện mà vẫn giữ được tính

toàn khối của bê tông cốt thép;

- Không yêu cầu đặc biệt về vật liệu;

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

- Sự co ngót khác nhau giữa bê tông cũ và lớp bê tông mới;

- Phát sinh thêm tĩnh tải gây bất lợi cho công trình;

- Làm tăng kích thước tiết diện cấu kiện;

- Thay đổi kiến trúc tổng thể của kết cấu sau khi gia cường

1.2.3.4 Ứng dụng

Với những ưu điểm trên, phương pháp gia cường bằng tăng cường tiết diện được

sử dụng ở một số công trình ở Việt Nam và trên thế giới

Hình 1.13: Gia cường bằng tăng cường tiết diện trong thực tế

1.3 T ng quan về công tác gia cường cầu cũ sử dụng công nghệ căng cáp dự ứng

ực ngoài

1.3.1 Sơ lược về công nghệ dự ứng lực ngoài

Cùng với sự phát triển của công nghệ chế tạo bê tông, thép cường độ cao Kết cấu BTCT DUL ngày càng được ứng dụng rộng rãi và phổ biến trong nghành xây

dựng cầu Công nghệ chế tạo DUL cho bê tông, trong đó có công nghệ DUL ngoài với cáp DUL nằm ngoài kết cấu BT được áp dụng phổ biến trong thi công cầu và đặc biệt thích hợp với việc sửa chữa nhất là gia cường, nâng cấp và mở rộng các công trình BTCT nhằm khôi phục lại hoặc nâng cao khả năng chịu tải của công trình Dùng DUL ngoài để sửa chữa và nâng cấp các công trình cầu là phương pháp đã được áp dụng rộng rãi ở nhiều nước trên thế giới như Pháp, Bỉ, Đức, Italia…

Một ý nghĩa quan trọng trong việc sử dụng DUL ngoài trong việc sửa chữa nhất

là gia cường, nâng cấp và mở rộng các công trình cầu BTCT cũ là đạt được hiệu quả kinh tế cao, đáp ứng được khả năng nguồn kinh phí trong điều kiện kinh tế trong nước đang còn gặp nhiều khó khăn Những năm vừa qua, thực tế trong công tác sửa chữa, nâng cấp một số cầu cũ, bên cạnh những giải pháp đã nêu ở trên, giải pháp sử dụng DUL ngoài đã tỏ ra là giải pháp hữu hiệu vừa có thể đáp ứng được cả yêu cầu về kỹ thuật công trình, vừa có thể đáp ứng được yêu cầu về kinh tế trong điều kiện hiện tại của đất nước

1.3.2 Khái niệm về dự ứng lực ngoài

Kết cấu BTCT DUL ngoài là kết cấu BT DUL có cốt thép DUL đặt ngoài tiết diện bê tông DUL chỉ tác động vào tiết diện bê tông từ bên ngoài qua một số điểm liên kết, tại đó cốt thép DUL và bê tông cùng biến dạng

Trong công trình có DUL ngoài, thép DUL chỉ liên kết cứng với BT ở một số điểm hạn chế để chuyển DUL vào bê tông, thép và bê tông chỉ cùng biến dạng ở những điểm đó Công nghệ DUL ngoài chỉ tác động vào bê tông như một ngoại lực tác động ở những điểm có liên kết

- Về cấu tạo: Có những bộ phận riêng không giống như kết cấu BT DUL trong Những bộ phận này phải được tính toán và cấu tạo chi tiết có xét tới tình trạng cầu cũ

và sự làm việc của cầu sau khi tăng cường bằng DUL

- Về thi công: Đối với công trình sử dụng DUL trong sau khi căng kéo thép mới bơm vữa còn đối với công trình áp dụng DUL ngoài thì bơm vữa xi măng rồi mới căng cáp DUL

1.3.3 Phạm vi ứng dụng

* Đối với công trình cầu làm mới

- Trong các nhịp cầu lớn BTCT DUL cần thiết phải có nhiều cáp DUL Mặc dù

đã mở rộng tiết diện nới cần đặt cáp DUL và bó cáp thành những bó lớn, nhưng khi đặt trong bê tông, khoảng cách giữa các bó vẫn thấy bị hạn chế không đủ không gian để bê tông ướt lọt vào dễ dàng và việc đầm rung nhất thiết phải bằng đầm dùi, thực hiện không thuận lợi Như vậy bê tông không đạt được chất lượng mong muốn Lúc đó một

số bó cáp vẫn đặt trong bê tông số còn lại đặt ngoài bê tông

- Các nhịp cầu dầm liên tục thi công bằng phương pháp đúc hoặc lắp hẫng từ đoạn trên trụ và phía giữa nhịp cầu, đổ bê tông hợp long và căng kéo cốt thép liên tục hoá Những cốt thép liên tục hoá đó thường dùng cáp DUL đặt ngoài tiết diện bê tông

* Đối với công trình đang khai thác cần sửa chữa, nâng cấp, mở rộng

- Các nhịp cầu BTCT thường bị nứt lớn, nhiều kể cả những vết nứt đang phát triển, dùng DUL ngoài để khép kín một cách hệ thống các vết nứt và nếu cần có thể nâng cấp nhịp cầu

- Thay thế các bó cáp DUL cũ bằng bó cáp DUL mới nếu thấy chúng bị rỉ hoặc

có nguy cơ bị rỉ Có thể dự kiến thay cáp khi thiết kế và thi công Cũng có thể thay ở trường hợp không dự kiến bằng cách căng dần bó cáp ngoài và vô hiệu hoá dần cáp trong bị rỉ hoặc có nguy cơ rỉ

- Liên tục hoá hai hay vài nhịp cầu tĩnh định để tăng cường khả năng chịu lực, hạn chế dao động hoặc biến dạng Ví dụ:

+ Có 3 nhịp cầu giản đơn liên tục hoá thành nhịp liên tục ba nhịp

+ Có nhịp cánh dầm T dầm treo hoặc dầm hẫng chốt giữa liên tục hoá thành dầm khung liên tục hoặc dầm liên tục ba nhịp

- Trong cầu BTCT không dầm ngang thường hay bị nứt nghiêm trọng có thể dùng DUL ngoài để khép kín các vết nứt đồng thời có thể bố trí các dầm ngang để liên kết các phiến dầm dọc

- Các cầu gồm nhiều phiến dầm đúc sẵn liên kết ngang bằng cáp ngang đặt trong bê tông do thực hiện công nghệ DUL cáp ngang không chuẩn qua thời gian cáp ngang bị rỉ đứt và liên kết bị phá vỡ

- Các nhịp cầu đang khai thác khi cần mở rộng, có thể bố trí các công xon gắn vào thành biên của dầm cũ và căng cáp ngoài để liên kết chặt với công trình cũ

- Trong phạm vi ứng dụng DUL ngoài đối với các cầu làm mới, cáp ngoài chỉ cần thiết cho các cầu lớn và còn cân nhắc đến biện pháp DUL trong Riêng ứng dụng DUL ngoài vào các công trình đã làm và đang khai thác thì hiện nay có giá trị thực tế

áp dụng lớn hơn vào công tác sửa chữa, nâng cấp, mở rộng Đối với những công trình

như vậy không thể dùng DUL trong nếu mở rộng tiết diện (theo chiều rộng hoặc chiều

cao) thì không đủ độ tin cậy

- Riêng dùng biện pháp DUL có thể bao trùm được nhiều loại khẩu độ, khép kín các vết nứt bằng ứng suất nén và có thể vừa thi công vừa khai thác như nhiều công trình trong nước đã thi công

Tóm lại biện pháp DUL ngoài để sửa chữa và nâng cấp, mở rộng các nhịp cầu đang khai thác là biện pháp có hệ thống bài bản và chủ động, đạt độ tin cậy cao

1.3.4 Các hình thức bố trí cáp DUL ngoài

Thường chúng ta có hai cách bố trí cáp ngoài dọc cầu, như sau:

- Bố trí theo tuyến cáp thẳng: Bố trí theo cách này đơn giản và dễ thi công vì không có các chi tiết chuyển hướng, không phải bố trí cấu tạo phức tạp ở điểm gẫy khúc Ma sát cốt thép trên thực tế coi như bằng không Nhưng nhược điểm là hiệu suất kém không cải thiện được sức chống cắt của dầm Tuyến thẳng không tranh thủ được

độ lệch tâm của cáp DUL ngoài

B-B

B 3

B

Hình 1.14: Tăng cường dầm cầu BTCT bằng DUL ngoài tuyến cáp thẳng

1-Dầm chủ BTCT 2-Vấu neo cáp DUL ngoài 3-Cáp DUL ngoài

C-C

4

Hình 1.15: Tăng cường dầm cầu BTCT bằng DUL ngoài tuyến cáp gẫy khúc

1- Dầm chủ BTCT; 2- Vấu neo cáp DUL ngoài; 3- Cáp DUL ngoài;

4- Vấu chuyển hướng

- Bố trí theo tuyến cáp gẫy khúc: Tuyến cáp gẫy khúc đi sát theo biểu đồ mômen uốn hơn và tăng cường được sức chống cắt của dầm Tuy nhiên tuyến cáp này phải tạo ra các chi tiết chuyển hướng, làm tăng tĩnh tải và thi công khó khăn hơn Do gấp khúc nên khi căng kéo bị mất ứng suất do ma sát nhiều hơn Dù vậy nhưng trong thực tế tuyến cáp dạng này được sử dụng phổ biến hơn

4 3

2 1

Hình 1.16: Tăng cường dầm cầu đơn giản BTCT nhiều nhịp bằng DUL ngoài để liên

tục hoá các nhịp dầm

1- Dầm chủ BTCT; 2- Vấu neo cáp DUL ngoài; 3- Cáp DUL ngoài;

4- Vấu chuyển hướng

1.3.5 Các giả thiết trong tính toán và cấu tạo

Các bó cáp DUL ngoài không cùng biến dạng với bê tông tiết diện có nghĩa là

không cùng chịu lực (ngoài các điểm liên kết neo ở chỗ chuyển hướng) cho nên khi

xác định tính năng tiết diện trong giai đoạn làm việc đàn hồi của kết cấu, không tính đổi thép theo tỷ lệ môđun đàn hồi

Không xét sự thay đổi lực căng các bó cáp DUL ngoài khi có hoạt tải hoặc khi nhiệt độ thay đổi Ở trạng thái thứ nhất khi biến dạng bê tông lớn nhất cũng không tính

số gia của bó cáp DUL ngoài và cần hạn chế giới hạn kéo dài của bê tông

Trong DUL ngoài không tính mất mát ứng suất của các bó cáp căng trước khi căng các bó sau Nhưng các bó cáp DUL ngoài tác động vào BT kết cấu cho nên các bó cáp DUL trong có sẵn phải chịu mất mát ứng suất Điều không làm với DUL trong thì nhất thiết phải làm với DUL ngoài là kiểm toán trạng thái giới hạn

về mất ổn định hình dạng nếu bó cáp không liên kết chặt với bê tông một đoạn dài

Vì cốt thép DUL ngoài không cùng chế độ dao động như bản thân kết cấu, phải tính toán và cấu tạo cho chu kì dao động của bó cáp khác xa với chu kì dao động của kết cấu

Xác định lượng cáp DUL dọc trong bê tông có nghĩa là xác định lực tối đa khi căng kéo và lực tối thiểu có hiệu của mỗi bó cáp, số lượng các bó cáp và vị trí đặt của chúng sao cho cân bằng được ứng suất kéo khi hoạt tải tác động

1.3.6 Các hình thức cấu tạo bố trí cáp ngoài dọc cầu

* Mục đích việc đặt cáp ngoài dọc cầu

Cáp ngoài bố trí dọc cầu nhằm bổ sung cho sự thiếu hụt về sức chịu lực đối với hiện tượng uốn Khiếm khuyết này thể hiện các vết nứt ở miền chịu kéo, như sau:

- Thẳng đứng ở khoảng giữa dầm đối với dầm giản đơn còn ở dầm liên tục thì chủ yếu ở đoạn cách gối ở 0.2-0.3L tức là ở đoạn giữa hai vùng mômen bằng không, với dầm được thực hiện từng đợt một, liên tiếp thì những vết nứt phần lớn tập trung vào tiết diện mối nối ở đó sự liên tục liền khối của bê tông là yếu kém

- Hơi xiên ở vùng các gối tựa, ở mép dầm các vết nứt đi thẳng một đoạn nhỏ, sau đó bê tông chịu tác động của lực cắt lên đi xiên cho đến cuối

Các vết nứt này làm cho các cốt thép cấu tạo cũng như CT DUL có nguy cơ bị

rỉ nhanh chóng Ngoài ra khi biến thiên lực căng trong bê tông vượt qua giới hạn 100 MPa thì phát sinh hiện tượng mỏi của cốt thép Khi các vết nứt phát triển nhiều thì nó làm thay đổi sức chịu lực chung của toàn công trình do đó giảm độ cứng dọc của dầm,

độ võng tăng lên do mômen quán tính giảm sút

Nguyên nhân phát sinh và phát triển các vết nứt này chủ yếu là do công trình tính toán không đủ sức chịu lực và trong khi thi công có thiếu sót về chất lượng vật liệu, bố trí cốt thép không đúng bản vẽ, thiếu hụt kích thước hoặc không điều chỉnh các khuyết tật ban đầu Trong tính toán phổ biến là không đủ tĩnh tải và các tải trọng thường xuyên như lớp phủ mặt cầu xe chạy, cần phải bổ sung làm mới trang thiết bị trên cầu mà không

dự kiến trước như giải phân cách, cột đèn, đường ống nước đi qua Ngoài ra cũng có những vết nứt phát sinh do những hiện tượng không nắm bắt và đánh giá đúng như: Sự lan toả của DUL, sự phân phối ứng suất của một lực tập trung, hiện tượng kéo theo làm

nứt bê tông sau neo khi đặt neo ở lưng chừng (không phải đầu kết cấu)

* Các bộ phận để neo cáp ngoài

+ Neo đặt trực tiếp vào kết cấu chủ thể: Nếu có thể được, neo đặt trực tiếp thì

sẽ có nhiều thuận tiện Nơi đặt có thể là dầm ngang đầu dầm hoặc các dầm ngang trung gian cũng như bản ngăn, ở những bộ phận này cần khoan các lỗ cho cáp ngoài cùng ống dẫn của nó đi qua Với các số liệu điều tra khảo sát được với các dầm ngang, bản ngăn là phải tính toán lại để nó đáp ứng yêu cầu cũa các lực tập trung truyền qua neo đồng thời phải kiểm toán sức chịu lực cắt ở dầm biên, nơi dầm ngang, bản ngăn liên kết với dầm

Thông thường các dầm ngang, kể cả dầm ngang đầu dầm và các bản ngăn trong kết cấu chủ thể chỉ thiết kế để tăng cường độ cứng ngang và chống xoắn cho nên ít đáp ứng được với các tác động mới Vì vậy trong nhiều trường hợp các bộ phận kết cấu này không chịu được mà phải gia cố cục bộ

+ Neo đặt vào các kết cấu bổ sung

Các bộ phận kết cấu đặt bổ sung thường dùng là: Khối hoặc dầm ngang đầu dầm đặt bổ sung; Đặt các gối tựa bổ sung tại các bản ngăn có sẵn; Vấu neo đặt ngoài; Khối và vách ngăn bổ sung

- Khối hoặc dầm ngang đầu dầm đặt bổ sung: Giải pháp này được áp dụng khi

có điều kiện đúc đằng sau dầm ngang dầu dầm một khối BTCT DUL, cấu kiện này đảm bảo phân bố lực tập trung mà nó có nhiệm vụ truyền vào thành dầm hoặc thành và bản dầm

Hình 1.17: Neo đặt vào khối dầm ngang đầu dầm

- Gối tựa bổ sung cho các bản ngăn: Đây là một trong các giải pháp neo trực tiếp vào kết cấu khi sức chịu của bản ngăn không đủ chịu lực, hoặc bản ngăn cùng liên kết nó với thành dầm không đủ chịu lực

Trong trường hợp này ta gia cường bản ngăn bằng cách đúc hoặc lắp các khối BTCT làm các điểm tựa trung gian cho bản ngăn Ngoài ra gia cường liên kết bản ngăn với thành dầm bằng cốt thép DUL để ép chặt các mặt liên kết

Đôi khi có đế neo DUL ngoài vào các khung thép với cấu tạo làm sao cho DUL ngoài truyền trực tiếp vào dầm mà ít tác động đến bản ngăn

- Vấu neo đặt ngoài: Khi vùng cần phải gia cường có chiều dài hạn chế như trường hợp chỉ yêu cầu gia cường cục bộ của một phần của nhịp hoặc khi không có khả năng kéo dài toàn bộ DUL đến tận đầu dầm như trường hợp đầu dầm hoặc dầm biên chịu nén quá mức hoặc do kết cấu buộc neo DUL ngoài ở phía trong nhịp như trường hợp có nhiều dầm độc lập kề nhau thì phải dùng biện pháp tạo các vấu ngoài bê tông tiết diện để đặt neo

1.3.7 Ưu, nhược điểm

+ Ưu điểm:

- Chi phí rẻ so với việc phải xây dựng lại các bộ phận chính, các thiết bị dể sử dụng và gọn nhẹ

- Sức kháng cắt và sức kháng uốn đều tăng mà không làm tăng tĩnh tải kết cấu

- Kết cấu hở nên dể kiểm tra bảo dưỡng, làm tăng độ tin cậy

- Các tao cáp có thể căng kéo hay thay đổi khi cần thiết

- Không ảnh hưởng lớn đến sự khai thác bình thường của cầu

+ Nhược điểm:

- Ứng dụng của phương pháp phụ thuộc vào điều kiện hữu hiệu của công trình Các bê tông có cường độ xấu không thể kéo quá cường độ cho phép Do vậy cần phải tiến hành khảo sát kỹ lưỡng và có các biện pháp gia cường trước khi tiến hành căng kéo

- Việc thi công các ụ neo và ụ chuyển hướng có thể khó khăn, có thể ảnh hưởng đến cáp DƯL bên trong khi tiến hành khoan thi công ụ neo

C¸p ngoµi Khèi ®Çu dÇm

- Cáp DƯL không có tính bền với môi trường chịu va đập, chịu lửa kém

- Khó khăn trong việc xác định sức kháng cắt của dầm

- Phạm vi thi công thường chật hẹp

- Tính thẩm mỹ của công trình không cao

1.3.8 Ứng dụng

 Thế giới:

Hiện nay, dự ứng lực DƯL rộng rãi tại nhiều nước trên thế giới, và một số lượng lớn cầu BTCT DƯL ngoài đã được xây dựng có sử dụng cáp dự ứng lực ngoài Công nghệ này đã được sử dụng để xây dựng cầu vào những năm 1920 và 1950 tại châu Âu Tuy nhiên, sau đó DƯL ngoài hầu như bị cấm sử dụng do thiếu phương pháp chống gỉ cho cáp cường độ cao và chi phí sửa chữa chúng rất lớn Sau khi DƯL ngoài được chấp nhận như một biện pháp để tăng cường cho những cầu BTCT DƯL vào những năm 1970 ở Pháp, các hệ thống chống gỉ cho cáp đã được phát triển đáng kể Với việc xây dựng cầu Florida Key có sử dụng cáp dự ứng lực ngoài ở Mỹ, thì phương pháp này được phát triển nhanh chóng Việc chỉ sử dụng cáp dự ứng lực ngoài hoặc kết hợp với cáp dự ứng lực trong được tiến hành xây dựng cầu đặc biệt là ở Pháp Một lý thuyết có hệ thống về DƯL ngoài đã được phát triển vào năm 1983 và SETRA phát hành bản thảo đầu tiên về tiêu chuẩn thiết kế vào năm 1990

Ở Nhật, từ việc sử dụng kết hợp cáp dự ứng lực trong và cáp dự ứng lực ngoài cho cầu Sassamegawa trên tuyến đường sắt cao tốc Tohoku Shinkansen vào năm 1985, thì DƯL ngoài được sử dụng nhiều hơn

Cầu Sài Gòn được gia cường bằng hệ thống DƯL mới đặt ngoài bê tông theo chiều dọc và chiều ngang cầu Cáp DƯL-N gồm các dây 4T15 và 7T15, được bôi mỡ

và bọc trong ống PEHD bơm xi măng chạy dọc theo chiều dọc cầu để lien kết 4 nhịp,

5 nhịp dẫn giản đơn thành hệ dầm liên tục

Cầu Mỏ Cày nằm trên quốc lộ 60 tỉnh Bến Tre Mặt cắt ngang cầu hình chữ T, cầu gồm 9 dầm BTCT DƯL Cốt thép DƯL loại tao xoắn 7 sợi  12,7mm có độ tự

chùng thấp

1.4 Những khó khăn trong quá trình căng cáp dự ứng ực ngoài

- Bố trí bệ neo tại đầu dầm

- Bố trí vách chuyển hướng

- Xác định chính xác khả năng chịu lực còn lại của dầm

- Xác định và kiểm soát ứng suất và chuyển vị của dầm trong quá trình căng cáp

để dầm không bị phá hoại

- Không gian làm việc yêu cầu phải rộng rải

- Người thi công phải có chuyên môn cao, tỷ mỹ

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ GIA CƯỜNG CẦU

BẰNG CÁP DỰ ỨNG LỰC NGOÀI

2.1 Cơ sở dự oán ực căng còn ại của cầu cũ

Để xác định lực căng còn lại của dầm trên cơ sở đó xác định được sức chịu tải còn lại của dầm dựa trên cơ sở lực căng còn lại trong dầm (theo lý thuyết), độ võng do tỉnh tải gây ra, độ võng do hoạt tải gây ra

2.1.1 Xác định độ vồng do cáp dự ứng lực trong dầm gây ra (Theo lý thuyết)

Ec: Mô đun đàn hồi của bê tông (Mpa)

Ic: Mômen quán tính của mặt cắt bê tông (mm4)

Do lực căng của cáp DUL còn lại xác định trên kết quả kiểm định cầu năm

2017 số liệu đến nay không còn chính xác nữa nên chỉ mang tính chất tham khảo

2.1.2 Xác định độ võng của cầu do tỉnh tải gây ra

4 t

5.q.L δ

Ec: Mô đun đàn hồi của bê tông (Mpa)

Ic: Mômen quán tính của mặt cắt bê tông (mm4)

q: Tỉnh tải rãi đều (KN/m)

2.1.3 Tính toán lực kéo còn lại thực tế trong cáp DƯL (Trường hợp không có

dt: Độ võng đo thực tế tại hiện trường với tỉnh tải của cầu (mm)

Pe: Lực kéo còn lại trong cáp dự ứng lực của dầm (KN)

es: Độ lệch tâm cáp dự ứng lực (mm)

L: Chiều dài nhịp (mm)

Ec: Mô đun đàn hồi của bê tông (Mpa)

Ic: Mômen quán tính của mặt cắt bê tông (mm4)

2.1.4 Xác định độ võng của cầu khi có hoạt tải gây ra

h: Độ võng do hoạt tải gây ra (mm)

L: Chiều dài nhịp (mm)

Ec: Mô đun đàn hồi của bê tông (Mpa)

Ic: Mômen quán tính của mặt cắt bê tông (mm4)

P: Hoạt tải chất trên cầu

b: Khoảng cách từ đầu dầm đến điểm đặc lực

2.1.5 Tính toán lực kéo còn lại thực tế trong cáp DƯL (Trường hợp có hoạt tải)

s

δ 8.E I P

e L 10

u

 (2.6)

Trong đó:

u: Độ vồng do cáp dự ứng lực gây ra khi xác định bằng cách đo độ võng thực

tế tại hiện trường với hoạt tải và tỉnh tải của cầu gây ra (mm)

Ec: Mô đun đàn hồi của bê tông (Mpa)

Ic: Mômen quán tính của mặt cắt bê tông (mm4)

Trên cơ sở lực căng còn lại của dầm ta xác định được khả năng chịu tải còn lại của dầm để đưa ra biện pháp cần gia cường để đảm bảo cầu đủ khả năng chịu tải trọng cần nâng cấp

2.2 Tính toán ƣợng cáp dự ứng ực cần b sung

2.2.1 Xác định sức kháng uốn còn lại trong dầm

Sức kháng uốn còn lại trong dầm được xác định theo công thức:

Aps: Diện tích thép DƯL trong dầm

1: Hệ số chuyển đổi ứng suất

K: hệ số được xác định theo công thức

k = 2(1,04-fpy/fpu) (2.9)

fps: Ứng suất trung bình của thép DƯL trong dầm được xác định theo công thức:

fps = fpu(1-k.c/dp) (2.10)

fpu: Lực kéo còn lại trong cáp

fpy: Giới hạn chảy của thép DUL trong dầm

Ktgi: Hệ số triết giảm đối với cáp DƯL trong dầm

dp: Khoảng cách từ thớ nén ngoài cùng đến trọng tâm cốt thép DƯL trong dầm a: Chiều dày khối ứng suất tương đương được xác định theo công thức

a = c1 (2.11)

c: Khoảng cách từ trục trung hoà đến mặt chịu nén được xác định theo công thức sau:

pu p

f

A f 0,85β f '(b b )h c

hf: Chiều dày cánh chịu nén

Trên cơ sở sức kháng uốn còn lại trong dầm ta kiểm toán khả năng chịu tải trọng ở các trạng thái giới hạn dưới tác dụng của tải trọng nâng cấp Sau khi kiểm tra nếu cầu đủ khả năng chịu tải trọng nâng cấp thì không cần phải tính toán gia cường ngược lại nếu không đủ khả năng chịu tải trọng nâng cấp thì tính toán lượng cáp DUL cần gia cường để cầu đủ khả năng chịu tải trọng nâng cấp

2.2.2 Kiểm toán các giới hạn cốt thép

2.2.2.1 Kiểm toán hàm lượng cốt thép tối đa

2.2.2.2 Kiểm toán về hàm lượng cốt thép tối thiểu

2.2.3 Kiểm toán sức kháng cắt còn lại trong dầm

v y v s

2.2.4 Kiểm toán ứng suất trong giai đoạn sử dụng

Giới hạn ứng suất kéo trong bê tông: f =0.5 f 'k c (2.21)

Giới hạn ứng suất nén trong bê tông: f =0.6f'n c

2.2.5 Xác định cáp DUL cần gia cường

M1: Sức kháng uốn còn lại trong dầm

M2: Sức kháng uốn cần gia cường được xác định theo công thức sau:

Aps: Diện tích thép DƯL cần tính toán bổ sung

1: Hệ số chuyển đổi ứng suất

K: hệ số được xác định theo công thức

fps: Ứng suất trung bình trong thép DƯL được xác định theo công thức

fpu: Cường độ tiêu chuẩn của thép DƯL

Ktgi: Hệ số triết giảm đối với cáp DƯL

dp: Khoảng cách từ thớ nén ngoài cùng đến trọng tâm cốt thép DƯL

a: Chiều dày khối ứng suất tương đương được xác định theo công thức

c: Khoảng cách từ trục trung hoà đến mặt chịu nén

h1: Khoảng cách từ trọng tâm cáp DUL gia cường đến đáy dầm

b: Chiều rộng bản chịu nén

bw: Chiều dày bản bụng

hf: Chiều dày cánh chịu nén

Dựa trên sức kháng uốn cần phải bổ sung cho dầm ta xác định được diện tích cáp DUL cần phải bổ sung cho dầm để chịu được tải trọng thiết kế

2.2.6 Số tao cáp DUL cần phải bổ sung

Aps gia cường = n.Ftao> Aps tính toán

Suy ra:

tinh toan ps tao

A n

Ftao: Diện tích 1 tao cáp

Aps tính toán: Diện tích cáp DUL tính toán

2.3 Kiểm toán ại cầu với các trạng thái giới hạn

2.3.1 Tính mất mát ứng suất trong quá trình căng kéo cốt thép

Mất mát ứng suất trong quá trình căng kéo cốt thép được xác định theo công thức sau:

Trong đó:

ΔfpT: Tổng mất mát (Mpa)

ΔfpA: Trược neo (Mpa)

ΔfpEs: Mất mát do nén đàn hồi (Mpa)

ΔfpR: Mất mát do tự chùng (Mpa)

2.3.1.1 Mất mát ứng suất do biến dạng neo tính theo công thức

Trong đó:

ΔfpA: Mất mát ứng suất do biến dạng neo (MPa)

Ep: Môđun đàn hồi của cáp (Mpa)

L: Chiều dài cáp DUL (mm)

ΔA: Độ trượt neo (mm)

2.3.1.2 Mất mát ứng suất do nén đàn hồi tính theo công thức

N: số lượng các bó cáp dự ứng lực giống nhau; N = 2

EP: mô đun đàn hồi của thép DƯL (MPa); Ep = 197000 MPa

Eci: mô đun đàn hồi của bê tông lúc truyền lực (MPa)

fcgp: ứng suất tại trọng tâm các bó thép dự ứng lực do lực căng trước Pi và trọng lượng bản thân dầm tại tiết diện có mô men max:

Pi : Lực nén trong bê tông do lực căng kéo thép DUL gây ra

es: Khoảng cách từ trọng tâm cốt thép DƯL đến trục trung hòa của tiết diện tính toán

Atd: diện tích tiết diện tính toán của dầm

I: mô men quán tính của tiết diện

MTTBT: mômen do trọng lượng bản thân dầm

2.3.1.3 Mất mát ứng suất do tự chùng tính theo công thức

2.3.2 Kiểm toán sức kháng uốn của dầm tại vị trí giữa nhịp

Hình 2.2: Sơ đồ kiểm toán gia cường cáp DUL ngoài

Trong đó:

Mu: Sức kháng uốn tính toán theo TTGH cường độ I (N.mm)

Mn: Sức kháng uốn còn lại trong dầm (N.mm)

Pe: Lực kéo của cáp DUL tăng cường

e: Khoảng cách từ trọng tâm cáp DUL đến trục trung hòa

Aps: Diện tích thép DUL (mm2)

fps: Ứng suất trung bình trong cốt thép DUL ở sức kháng uốn danh định (Mpa)

dp: Khoảng cách thớ chịu nén ngoài cùng đến trọng tâm cốt thép DUL (mm)

As: Diện tích thép chịu kéo không DUL (mm2)

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

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

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

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

bw : Bề dày của bản bụng (mm)