ĐÁNH GIÁ NĂNG LỰC CHỊU TẢI VÀ THIẾT KẾ NÂNG CẤP SỬA CHỮA CẦU THẠNH PHÚ TRÊN ĐƢỜNG TỈNH 911, TỈNH TRÀ VINH.TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

Trên cơ sở đó việc đánh giá hiện trạng và đề uất giải pháp thiết kế n ng cấp sử chữ cầu Thạnh Phú trên Đường tỉnh 911 cũng như củ một số cầu trên đị bàn Đánh giá năng l c chịu tải đề uất

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

PHAN VĂN TRUNG

ĐÁNH GIÁ NĂNG LỰC CHỊU TẢI VÀ THIẾT KẾ NÂNG CẤP SỬA CHỮA CẦU THẠNH PHÚ TRÊN

Công trình được hoàn thành tại TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học: TS NGU ỄN VĂN M

Phản biện 1: TS TRẦN ĐÌNH QUẢNG

Phản biện 2: TS VÕ DUY HÙNG

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ thuật d ng c ng tr nh gi o th ng h p tại Trường Đại h c Bách kho vào ngà … tháng ….… năm ….…

Có thể t m hiểu luận văn tại:

- Trung t m H c liệu, Đại h c Đà Nẵng tại Trường ĐHB

- Thư viện ho d ng - Cầu Đường, Trường ĐHB - ĐHĐN

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Để phát triển kinh tế ã hội củ tỉnh Trà Vinh việc đầu tư phát triển

hạ tầng gi o th ng vận tải đóng v i trò rất qu n tr ng Hiện n , tỉnh Trà Vinh có 03 tu ến Quốc lộ, 06 tu ến Đường tỉnh và 42 tu ến Đường hu ện với tổng chiều dài 927,54km đường và có 189 cầu Trên Đường tỉnh và Đường hu ện, có 138 cầu đ ng kh i thác, trong đó cầu bê t ng cốt thép có 119 cầu và cầu thép có 19 cầu Các

tu ến nà đã cho thấ nhiều hạn chế như hệ thống gi o th ng chư đồng bộ và đặc biệt là còn rất nhiều cầu ếu Trên cơ sở đó việc đánh giá hiện trạng và đề uất giải pháp thiết kế n ng cấp sử chữ cầu Thạnh Phú trên Đường tỉnh 911 cũng như củ một số cầu trên đị bàn

Đánh giá năng l c chịu tải đề uất giải pháp thiết kế n ng cấp tải

tr ng cầu Thạnh Phú trên Đường tỉnh 911, tỉnh Trà Vinh từ tải tr ng

kh i thác th c tế 18 tấn lên 25 tấn Từ đó đề r phương án tổng thể cho

các cầu trên toàn hệ thống cầu trên đị bàn tỉnh Trà Vinh

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đề tài tiến hành nghiên cứu

đánh giá năng l c chịu tải và đề uất giải pháp thiết kế n ng cấp sử

chữ cầu Thạnh Phú trên Đường tỉnh 911, tỉnh Trà Vinh

4 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp th c nghiệm

- Phương pháp lý thu ết

5 Cấu trúc của luận văn

Để đạt được mục tiêu trên luận văn tr nh bà trong 03 chương:

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ ĐÁNH GIÁ NĂNG LỰC CHỊU TẢI VÀ CÁC GIẢI PHÁP NÂNG CAO NĂNG LỰC CHỊU TẢI CỦA CẦU

2.1 Cơ sở pháp lý đánh gıá năng l c chịu tải củ cầu

2.2 đánh gıá năng l c chịu tải củ cầu thạnh phú trên đường tỉnh

TỈNH TRÀ VINH 1.1 SƠ LƯỢC ĐẶC ĐIỂM VÀ T NH H NH KINH TẾ- Ã HỘI TỈNH TRÀ VINH

Trà Vinh là một tỉnh nằm phí Đ ng đồng bằng s ng Cửu Long cóvị trí t độ giới hạn từ 9°31'46" đến 10°4'5" vĩ độ Bắc và

từ 105°57'16" đến 106°36'04" kinh độ Đ ng Phí Bắc và T Bắc

giáp tỉnh Vĩnh Long, phí Đ ng Bắc giáp tỉnh Bến Tre ngăn cách bởi

s ng Cổ Chiên (một nhánh s ng Tiền), phí T N m giáp tỉnh Sóc Trăng ngăn cách bởi s ng Hậu, N m và Đ ng N m giáp biển Đ ng với hơn 65km bờ biển, nơi có 2 cử s ng (Cổ Chiên và Định An)

1.2 HIỆN TRẠNG MẠNG LƯỚI GIAO TH NG TRÊN ĐỊA BÀN TỈNH TRÀ VINH

Hiện trạng mạng lưới gi o th ng được thể hiện qu bản đồ qu hoạch gi o th ng đến năm 2020 và tầm nh n đến năm 2030 như ở Hình 1.1

1.2.1 Hệ thống đường bộ

Hiện n hệ thống gi o th ng trên đị bàn tỉnh toàn tỉnh có 03

tu ến Quốc lộ, 06 tu ến Đường tỉnh và 42 tu ến Đường hu ện với tổng chiều dài 927,54km, ngoài r còn có các tu ến đường gi o th ng

n ng th n với tổng chiều dài trên 2.500km với kết cấu bằng đ n bê

t ng cốt thép, cấp phối, và trên 200km đường Đ thị được nh hó

1.3 HIỆN TRẠNG HƯ HỎNG CHỦ ẾU CÁC CẦU TRÊN ĐỊA BÀN TỈNH TRÀ VİNH

1.3.1 Cầu trên Quốc lộ

Quốc lộ có 51 cầu với tổng chiều dài là 2.612,5md được đầu tư mạnh mẽ từ năm 2000 cho đến n nên các cầu đảm bảo kh i thác tốt

có tải tr ng từ 25 tấn trở lên

1.3.2 Cầu trên Đường tỉnh

Trên hệ thống đường tỉnh có 41 cầu, với tổng chiều dài là 2.596,14dm Qu kết quả kiểm tr th c tế, chỉ có 14 cầu đã uất hiện các hư hỏng như s u: Lớp bê t ng bảo vệ mặt cầu bị bong tróc, bê t ng bản mặt cầu bị nứt, khe co giãn bị hư hỏng, bê t ng l n c n bị nứt vỡ

lộ cốt thép, dầm chủ bong tróc bê t ng lộ cốt thép, đường vào cầu bị lún sụp, uất hiện nhiều ổ gà

1.3.3 Một số hư hỏng đặc trưng của các cầu trên địa bàn tỉnh Trà Vinh

1.3.3.1 Các hư hỏng đặc trưng đối với kết cấu cầu thép

1.3.3.2 Các hư hỏng đặc trưng đối với kết cấu cầu bê t ng cốt thép

KẾT LUẬN CHƯƠNG 1

Từ những kết quả khảo sát các hư hỏng nêu trên, trong khi ng n sách củ tỉnh Trà Vinh và Trung ương còn hạn chế chư thể đầu tư

d ng mới th việc đánh giá năng l c chịu tải củ cầu để có giải pháp

sử chữ , n ng cấp là rất cần thiết trong gi i đoạn hiện n ; Đồng thời đánh giá lại việc cắm biển tải tr ng cầu để các loại e có số lượng trục khác nh u, có tải tr ng khác nh u có thể hợp pháp qu cầu mà không

g ngu hiểm cho kết cấu Trên cơ sở đó đề uất ch n cầu Thạnh Phú trên Đường tỉnh 911 để tiến hành th c nghiệm và đánh giá năng l c chịu tải th c tế củ cầu Từ đó, đề uất giải pháp n ng c o năng l c chịu tải củ cầu

2.1.2 Các phương pháp thử tải cầu

2.1.2.1 Phương pháp thử tải với tải trọng tĩnh

2.1.2.2.Phương pháp thử tải với tải trọng động

2.1.2.3 Tải trọng thử và các sơ đồ tải trọng

2.1.3 Các phương pháp đánh giá cầu

Theo tiêu chuẩn AASHTO, đối với c ng tr nh cầu đường bộ hiện

n có 3 phương pháp đã dùng để đánh giá tải tr ng:

- Đánh giá theo hệ số tải tr ng và hệ số sức kháng (LRFR)

- Đánh giá theo ứng suất cho phép (ASR)

- Đánh giá theo hệ số tải tr ng (LFR)

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

2.1.4.1 Đánh giá tải trọng thiết kế

Các cầu đạt với kiểm toán hoạt tải thiết kế ở cấp độ IR (hệ số đánh giá RF ≥ 1) th cũng đạt khi đánh giá cho tải tr ng thiết kế cấp OR và

m i tải tr ng hợp pháp.Hệ số RF được ác định như s u:

Hình 2.1 Các loại xe đánh giá

2.1.4.3 Đánh giá tải trọng cấp phép

Đ là cấp đánh giá tải tr ng thứ b , cấp nà chỉ áp dụng cho các cầu kh ng cắm biển hạn chế tải tr ng Đánh giá tải tr ng cấp phép là kiểm toán s n toàn và khả năng chịu tải củ cầu trong quá tr nh cấp phép cho các phương tiện có tải tr ng vượt quá giới hạn cho phép

2.1.5 Quy trình đánh giá tải trọng theo phương pháp đánh giá

hệ số tải trọng và hệ số sức kháng

2.1.5.1 Trình tự đánh giá

Có 3 qu tr nh đánh giá tải tr ng phù hợp với đánh giá theo hệ số tải tr ng và hệ số sức kháng:

- Đánh giá tải tr ng thiết kế (cấp đánh giá thiết kế)

- Đánh giá tải tr ng hợp pháp (cấp đánh giá thứ h i)

- Đánh giá tải tr ng cấp phép (cấp đánh giá thứ b )

Mỗi qu tr nh có một tải tr ng cụ thể với các hệ số tải tr ng được hiệu chỉnh đặc biệt nhằm đảm bảo mức độ tin cậ như nh u và có thể chấp nhận được trong m i đánh giá và được đánh giá theo tr nh t được thể hiện trên Hình 2.1

Hình 2.2 Trình tự đánh giá tải trọng hợp pháp

2.1.5.2 Công thức đánh giá tải trọng

C ng thức (2.1) có thể được viết g n lại như s u:

LL

HL LL

DL C

2.1.6 Tính toán khả năng chịu tải C

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

Hệ số tải tr ng củ từng loại hoạt tải theo qu định củ AASHTO RFD

tù thuộc vào trạng thái giới hạn tính toán và lưu th ng gi o th ng qu cầu Theo đó, hệ số tải tr ng củ hoạt tải được qu định phụ thuộc vào nhiều ếu tố như là trạng thái giới hạn, lưu lượng e chạ , các loại cầu khác nh u, tính chất tác dụng củ tải tr ng và được thể hiện qu Bảng 2.2

Bảng 2.2 Hệ số tải trọng của tải trọng hợp pháp

Lưu lượng xe tải theo một

2.1.7.2 Hiệu ứng hoạt tải

Hoạt tải đánh giá củ các trường hợp cụ thể phù hợp với cấp đánh giá được tr nh bà ở mục 2.1.4

2.2 ĐÁNH GIÁ NĂNG LỰC CHỊU TẢI CỦA CẦU THẠNH PHÚ TRÊN ĐƯỜNG TỈNH 911,TỈNH TRÀ VINH

2.2.1 Cơ sở lựa chọn cầu Thạnh Phú trên Đường tỉnh 911 để đánh giá và nâng cấp tải trọng

2.2.2 Đánh giá sơ bộ hiện trạng của cầu Thạnh Phú trên Đường tỉnh 911

2.2.2.1 Giới thiệu chung

Cầu Thạnh Phú trên Đường tỉnh 911 tại m03+770 thuộc ã Thạnh Phú, hu ện Cầu è, tỉnh Trà Vinh Cầu có kết cấu bằng BTCT gồm 03 nhịp giản đơn 3 24,5m; Bề rộng toàn cầu 7,0m, phần e chạ 6,0m, gờ l n c n 0,5m; ết cấu nhịp dầm BTCT DƯL căng trước, mặt cắt ng ng gồm 4 dầm khoảng cách dầm 1,8m và các dầm liên kết với

nh u bởi 5 dầm ng ng; ết cấu mố dạng chữ U bằng BTCT; Trụ cầu BTCT dạng ống nhòm; L n c n, t vịn kết cấu bằng thép; Hoạt tải thiết kế là H18

2.2.2.2 Đánh giá hiện trạng

Hiện tại, các dầm chủ và dầm ng ng chư thấ dấu hiệu bất thường, gối cấu bằng c o su t nh trạng làm việc b nh thường, các khe biến dạng cơ bản vẫn còn tốt, kết cấu l n c n t vịn bằng thép đã được sơn lại vẫn ở trạng thái làm việc tốt, lớp phủ mặt cầu còn tốt Tải

tr ng kh i thác chỉ 18 tấn; trong khi đó các cầu còn lại trên tu ến nà

có tải tr ng kh i thác từ 18 tấn đến 30 tấn

2.2.3 ác định cường độ bê tông và cốt thép

ết quả cường độ bê t ng củ kết cấu BTCT dầm chủ và mố trụ cầu bằng súng bật nẩ Bảng 2 3

Bảng 2.3 Cường độ bê tông của dầm chủ và mố trụ cầu

Cường độ BT (MPa); Rhcht

1 Dầm chủ số 1, 2, 3, 4 38.2/38.2/38.2/38.2

2.2.4 Đo đạt với tải trọng thử tải tỉnh

2.2.4.1 Tải trọng thử tải cầu

Loại xe

Cân nặng (tấn) Khoảng cách trục xe (m) Trục 1 Trục 2 Trục 3 Phương

dọc a 1

Phương dọc a 2

Phương ngang b

phương d c cầu và ng ng cầu đo ứng suất biến dạng thớ dưới và chu ển vị củ cỏc dầm chủ tại tiết diện giữ nhịp 1

8600

V Ghi chú:

V độ võng 5.91T

3400

84C-028.33 6.29T 4.96T 6.55T 6.45T84C-028.77 4.97T

Hỡnh 2.7 Sơ đồ xếp tải và thiết bị đo thử tải tĩnh nhịp 1 theo phương

dọc cầu

6000

7000

500 500

500 500

800 1800 1800 1800 800 500

cầu thạnh phú

6000 7000

500 500

STT Thế tải Vị trí Thiết bị Độ võng đo

tế củ các dầm chủ được tính toán và thể hiện trên bảng 2.6

Bảng 2.6 Hệ số phân bố ngang của các dầm nhịp 1

Các dầmchủ Hệ số phân bố ngang ứng với các thế tải

Lệch tâm trái Đúng tâm Lệch tâm phải

2.2.5 Tính toán tải trọng cắm biển

2.2.5.1 Xác định khả năng chịu lực của kết cấu nhịp

a Đặc trưng vật liệu

- Bê tông: Tính chất cơ lý củ bê t ng bản

- Thép : Tính chất cơ lý củ cốt thép; Tính chất cơ lý củ thép d ứng l c

- Bê t ng nh : Tính chất cơ lý củ bê t ng nh

b Các thông số mặt cắt ngang cầu

Các th ng số mặt cắt ng ng cầu:

STT Các thông số Đơn vị Ký hiệu Tại ½ nhịp

c Xác định sức kháng uốn của kết cấu nhịp

Bảng 2.7 Sức kháng uốn của tiết diện ngang cầu

6 Ứng suất trung b nh củ cáp DƯL

7 Sức kháng uốn d nh định kNm Mn 3762.74

8 Sức kháng uốn tính toán kNm Mr 3762.74

d Xác định khả năng chịu uốn của kết cấu nhịp

Bảng 2.8 Sức kháng cắt của tiết diện ngang cầu

2 hoảng cách giữ cốt đ i chịu cắt mm s 100

3 Số lượng đường kính cốt đ i trong

HL93(OR) 1843.98 1.25 224.34 1.50 29.85 1.35 295.09 3.81

3 1843.98 1.25 224.34 1.50 29.85 1.80 175.83 4.80

3S2 1843.98 1.25 224.34 1.50 29.85 1.80 212.45 3.97

3-3 1843.98 1.25 224.34 1.50 29.85 1.80 214.47 3.93

2.2.6.3 Đề xuất cắm biển tải trọng

Bảng 2.9 và 2.10 cho thấ cần phải cắm biển tải tr ng hi đó, tải tr ng cắm biển được tính theo c ng thức (5) và kết quả được thể hiện trên bảng 2.11

Bảng 2.11 cho thấ rằng biển cắm tải tr ng hợp pháp theo

QCVN 41:2016/BGTVT là:

2.2.7 Kết luận kiến nghị đối với cầu Thạnh phú

(1) Hiện trạng kết cấu nhịp phải cắm biển hạn chế tải tr ng là: 21 tấn đối với e tải, 25 tấn đối với e sơ-mi rơ-móc và 29 tấn đối với erơ-móc;

(2) Hiện trạng mố trụ đảm bảo n toàn khả năng chịu l c đối với đoàn e H18 tấn (kh ng kể enặng)

Từ (1) và (2), biển cắm tải tr ng e hợp pháp củ cầu Thạnh Phú trên Đường tỉnh 911, tỉnh Trà Vinh theo QCVN 41:2016/BGTVT là:

KẾT LUẬN CHƯƠNG 2

(1) Bằng việc đo đạc hiện trường và ph n tích tính toán, đề uấtbiển cắm hiện trạng đối với tải tr ng hợp pháp theo QCVN 41:2016/ BGTVT củ Bộ Gi o th ng vận tải đối với kết cấu nhịp cầu Thạnh Phú trên Đường tỉnh 911, tỉnh Trà Vinh là:

(2) Để đáp ứng nhu cầu thống nhất cấp tải tr ng đối với tất cả các cầu trên Đường tỉnh 911, tỉnh Trà Vinh là 21 tấn đối với xe tải, 25 tấn đối với e sơ - mi rơ - moc và 29 tấn đối với e rơ - moc cũng như đáp ứng nhu cầu phục vụ vận tải đảm bảo an ninh quốc phòng và phục vụ vận chuyển hàng c ăn trái, hàng hó n ng sản của khu v c, nguyên vật liệucho cụm công nghiệp mới hình thành của xã Thạnh Phú cần thiết nâng cấp tải tr ng cầu Thạnh Phú trên Đường tỉnh 911 từ 18 tấn lên25tấn hoặc c o hơn Do vậy, các giải pháp gi cường kết cấu được

đề xuất và ph n tích trong Chương 3

CHƯƠNG 3

ĐỀ UẤT GIẢI PHÁP NÂNG CẤP TẢI TRỌNG ĐỐI VỚICẦU THẠNH PHÚ TRÊN ĐƯỜNG TỈNH 911, TỈNH TRÀ VINH 3.1 MỘT SỐ GIẢI PHÁP GIA CƯỜNG TRONG CẦU BTCT VÀ BTCT DỰ ỨNG LỰC

3.1.1 Các giải pháp gia cường cầu BTCT và BTCT dự :

- Giải pháp đặt thêm cốt thép vùng chịu kéo

- Giải pháp dán bản thép

- Giải pháp căng cáp DƯL ngoài

- Giải pháp liệu FRP(Fiber Reinforced Pol mer)

3.1.2 Lựa chọn giải pháp gia cường cho cầu Thạnh Phú

Cầu Thạnh Phú ( m03+770) trên Đường tỉnh 911 là tu ến gi o

th ng hu ết mạch phục vụ vận chu ển c ăn trái, hàng hó n ng sản

củ khu v c, đảm bảo n ninh quốc phòng nhưng có tải tr ng hạn chế (18 tấn) nên kh ng đáp ứng được nhu cầu phát triển củ vùng V vậ cần thiết n ng cấp tải tr ng cầu Thạnh Phú trên Đường tỉnh 911 từ 18 tấn lên 25 tấn hoặc c o hơn để đáp ứng nhu cầu trên và đề uất giải pháp gi cường bằng dán FRP cho cầu Thạnh Phú trên Đường tỉnh 911

v kh ng làm tăng đáng kể tĩnh tải, tăng cường sức kháng hiệu quả,

kh ng tăng chiều c o kiến trúc củ cầu và được sử dụng rộng rãi ở nước t trong gi cường các cầu cũ

3.2 THIẾT KẾ GIA CƯỜNG KẾT CẤU NHỊP CẦU THẠNH PHÚ

3.2.1 Cơ sở tính toán gia cường bằng vật liệu FRPđối với dầm BTCT DƯL

Đối với dầm BTCT được tăng cường bằng tấm sợi FRP, có các

h nh thức phá hoại do uốn như s u:

(3) Hình thức phá hoại đồng thời (c  cu  0 003, frpl  frpu)

Tr nh t tính toán gi cường sức kháng uốn cho dầm BTCT DƯL dán tấm sợi FRP có các bước s u:

Bước 1: Tính biến dạng có hiệu củ tấm sợi tại thời điểm phá hoại

làfetừ các số liệu số lớp, chiều dà tf và m đun đàn hồiEf

Bước 2: Giả thiết phá hoại ả r đồng thời bêt ng và tấm sợi

Biến dạng củ bêt ng lúc phá hoại là 0.003 và biến dạng củ tấm sợi tại thời điểm phá hoại làfe

Bước 3: Phá hoại ả r do tấm sợi FRP bị phá hỏng trước

Bước 1: Tính toán các thuộc tính củ vật liệu FRP

Bước 2: Tính toán sơ bộ các thuộc tính củ mặt cắt

Bước 3: ác định biến dạng củ đá đầm tại thời điểm lắp đặt tấm

sợi FRP

Bước 4: ác định biến dạng thiết kế củ tấm sợi FRP εfd Giá trị εfd

được ác định d vào điều kiện th c nghiệm qu định đối với từng loại sản phẩm FRP

d b f

V c 2 c' w (3.1)

S

Cos Sin

d f A

Ứng suất trong FRP gi cường chống cắt:

fe f

fe E

f   (3.4)

Biến dạng có hiệu trong tấm sợi:

004 , 0



 v fu

fe k 

L k k k

max

fv f f f

fe f f f

d w S V

E A

S       

(3.7)

iểm tr giới hạn:

d b f V

V s f 0,66 c' w (3.8)

3.3.3 Thiết kế gia cường kết cấu nhịp dầm

3.3.3.1 Vật liệu gia cường trên kết cấu dầm

Cầu Thạnh Phú vật liệu gi cường FRP được sử dụng với các chỉ tiêu cơ lý thể hiện trên bảng 3.1 Do kết cấu nhịp đảm bảo sức kháng cắt theo tải tr ng yêu cầu nên chỉ cần gi cường FRP nhằm tăng sức kháng uốn Chi tiết dán FRP theo phương d c và ngang cầu được thể hiện trên hình 3.1 và 3.2

Bảng 3.1 Đặc trưng hình học của tấm sợi

vị Ký hiệu Giá trị

1 Biến dạng c c hạn củ tấm sợi

2 Modun đàn hồi củ tấm sợi c cbon MPa E f 82000

3 Cường độ chịu kéo c c hạn củ