(Luận văn thạc sĩ) đánh giá khả năng chịu lực và đề xuất phương án cải tạo cầu hội yên thành phố đà nẵng

Tóm tắt: Đ nh gi năng lực chịu tải của cầu Hội Yên thuộc huyện Hòa Vang và giải pháp thiết kế nâng cấp sửa chữa là áp dụng c c phương ph p đ nh gi cầu để c định các nguy n nh n hư hỏng,

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGÔ NHẬT ANH

ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG CHỊU LỰC VÀ

ĐỀ XUẤT PHƯƠNG ÁN CẢI TẠO CẦU HỘI YÊN

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGÔ NHẬT ANH

ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG CHỊU LỰC VÀ

ĐỀ XUẤT PHƯƠNG ÁN CẢI TẠO CẦU HỘI YÊN

LỜI CẢM ƠN

Học vi n in ch n th nh cảm ơn Thầy giáo PGS.TS Hoàng Phương Hoa đã

tận tình hướng dẫn - chỉ bảo trong quá trình làm luận văn

Xin chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo, tập thể cán bộ, giảng viên Khoa Xây dựng Cầu đường, Phòng KH, SĐH & HTQT Trường Đại học B ch hoa - Đại học Đ Nẵng, Ban đ o tạo Sau đại học - Đại học Đà Nẵng, cùng gia đình, bạn bè đã động viên

và tạo điều kiện cho học vi n trong thời gian học cao học v ho n th nh luận văn tốt nghiệp này

Với thời gian nghiên cứu v năng lực bản thân còn hạn chế , luận văn chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót, tồn tại Học vi n rất mong nhận được những ý kiến đóng góp từ phía các thầy cô và bạn bè đồng nghiệp để luận văn được hoàn thiện hơn

Trân trọng cảm ơn!

DUT.LRCC

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đ y l công trình nghi n cứu của riêng tôi

Các số liệu, kết quả tính toán nêu trong luận văn l trung thực v chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả luận văn

Ngô Nhật Anh

DUT.LRCC

ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG CHỊU LỰC VÀ ĐỀ XUẤT PHƯƠNG ÁN CẢI TẠO

CẦU HỘI YÊN THÀNH PHỐ ĐÀ NẴNG

Chuyên ngành : Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông

Khóa : K36 Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đ Nẵng

Tóm tắt: Đ nh gi năng lực chịu tải của cầu Hội Yên thuộc huyện Hòa Vang và giải

pháp thiết kế nâng cấp sửa chữa là áp dụng c c phương ph p đ nh gi cầu để c định các nguy n nh n hư hỏng, năng lực chịu tải thực tế của cầu; nhu cầu vận chuyển hàng hoá, từ đó

có giải pháp nâng cấp sửa chữa Đồng thời đ nh gi lại việc cắm biển tải trọng cầu tại thời điểm khảo sát so với QCVN 41:2016/BGTVT của Bộ Giao thông vận tải để các loại xe có số lượng trục khác nhau , có tải trọng khác nhau có thể hợp pháp qua cầu mà không gây nguy hiểm cho kết cấu Trong nội dung luận văn t c giả tiến hành thực nghiệm v đ nh gi năng lực chịu tải của cầu Áp dụng phương ph p đ nh gi cầu theo tiêu chuẩn AASSHTO, từ kết quả đ nh t c giả chọn giải ph p gia cường bằng phương ph p d n vật liệu FRP cho cầu, từ kết quả tính to n đề xuất cắm biển tải trọng hợp ph p trước hi gia cường v sau hi gia cường đảm bảo phục vụ tốt cho việc vận chuyển hàng hoá và an toàn cho công trình cầu

Từ khóa: Đ nh gi , năng lực chịu tải, cầu thép, thiết kế, nâng cấp sửa chữa

Summary: The assessment of the load-carrying capacity of Hoi Yen bridge in Hoa

Vang District and the design solution for improvement and repair is to apply the method of bridge assessment to identify causes of damage and performance, the actual bearing load of the bridge; Demand for transportation of goods, from which solutions to improve and repair Meanwhile, it is necessary to evaluate weight limit of the old bridges at the time when these bridges were monitored compared to QCVN 41:2016/BGTVT standard enacted by Ministry

of Transport which allows vehicles with different axle and weight to pass the bridge without endangering its structure members In this thesis, Hoi Yen bridge was selected to carry out testing the bridge load capacity The standard used to assess in the study is AASHTO LRFD Based on the results of the examination, using FRP material to cover reinforced concrete beam bridge solutions to strengthen bridge performance Eventually, to ensure bridge safety and best service for the carriage of products, the research suggested the appropriate weight limit of bridges before and after the time when adding strength

Keyword: Evaluation, load-carrying capacity, reinforced concrete, strengthen

DUT.LRCC

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN 1

LỜI CAM ĐOAN 2

ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG CHỊU LỰC VÀ ĐỀ XUẤT PHƯƠNG ÁN CẢI TẠO CẦU HỘI YÊN THÀNH PHỐ ĐÀ NẴNG 3

MỤC LỤC 4

DANH MỤC BẢNG BIỂU 6

DANH MỤC HÌNH VẼ 6

MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Đối tượng nghiên cứu 1

3 Phạm vi nghiên cứu 1

4 Mục tiêu nghiên cứu 1

5 Phương ph p nghi n cứu 2

6 Cấu trúc của luận văn 2

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG TRÌNH CẦU HỘI YÊN VÀ VẬT LIỆU SỢI FPR 3

1.1 GIỚI THIỆU VỀ CẦU HỘI YÊN 3

1.1.1 Tiêu chuẩn thiết kế ban đầu 3

1.1.2 Giải pháp kết cấu cầu 3

1.2 TÌNH TRẠNG, CHẤT LƯỢNG CẦU 5

1.2.1 C c hư hỏng và sự cố cầu Hội Yên 5

1.3 TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU FRP 6

1.3.1 Đặc tính cấu tạo của tấm composite 6

1.3.2 Đặc tính vật lý của vật liệu composite 7

KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 10

CHƯƠNG 2: ĐÁNH GÍA NĂNG LỰC CHỊU TẢI CỦA CẦU HỘI YÊN VÀ CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN GIA CƯỜNG CẦU BẰNG VẬT LIỆU FRP 11

2.1 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ CẦU 11

2.1.1 Đ nh gi cầu theo hệ số sức kháng và hệ số tải trọng 11

2.1.2 Quy trình đ nh gi tải trọng theo phương ph p đ nh gi hệ số tải trọng và hệ số sức kháng 13

2.1.3 Tính toán khả năng chịu tải C 14

2.1.4 Hiệu ứng tải trọng 15

2.2 ĐÁNH GIÁ NĂNG LỰC CHỊU TẢI CỦA CẦU HỘI YÊN 17

2.2.1 Giới thiệu chung 17

DUT.LRCC

2.2.2 Đ nh gi tải trọng hợp pháp cầu Hội Yên 17

2.2.3 Đ nh gi hiện trạng về khả năng chịu lực của kết cấu nhịp 19

KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 24

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN TĂNG CƯỜNG SỨC KHÁNG UỐN, SỨC KHÁNG CẮT CỦA DẦM CẦU HỘI YÊN BẰNG TẤM SỢI FRP VÀ SO SÁNH ĐÁNH GIÁ VỚI SỐ LIỆU BAN ĐẦU 25

3.1 MỘT SỐ GIẢI PHÁP GIA CƯỜNG TRONG CẦU BÊ TÔNG CỐT THÉP VÀ CẦU THÉP 25

3.1.1 Gia cường cầu BTCT và BTCT dự ứng lực 25

3.1.2 Gia cường cầu thép 25

3.1.3 Lựa chọn giải ph p gia cường cho một số cầu Hội Yên 26

3.2 THIẾT KẾ GIA CƯỜNG KẾT CẤU NHỊP CẦU HỘI YÊN 26

3.2.1.Cơ sở tính to n gia cường bằng vật liệu FRP đối với dầm BTCT 26

3.2.2 Tính to n tăng cường sức kháng uốn dầm bê tông cốt thép tiêu chuẩn ACI220,2R-08 31

3.2.3 Thiết kế gia cường kết cấu nhịp dầm 35

3.3 ĐÁNH GIÁ NĂNG LỰC CHỊU TẢI CẦU HỘI YÊN SAU GIA CƯỜNG 44

3.3.1 Hiện trạng cầu Hội Yên sau sửa chữa gia cường và mở rộng 44

3.3.2 Thử tải cầu với tải trọng tĩnh 47

3.3.3 Thử tải động kết cấu nhịp 51

KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 53

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 54

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO

QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI (bản sao)

DUT.LRCC

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Khối lƣợng riêng của các loại vật liệu composite (g/cm3)[11] 7 Bảng 1.2 Hệ số dãn nở nhiệt của các loại vật liệu composite [11] 7 Bảng 2.1 Hệ số tải trọng của hoạt tải theo TTGH 16 Bảng 2.2 Hệ số tải trọng của tải trọng hợp pháp 16 Bảng 2.3 Khoảng cách và tải trọng các trục của xe tải đo 17 Bảng 2.4 Chuyển vị của dầm chủ với tải trọng thử nhịp 1 19 Bảng 2.5 Chuyển vị của dầm chủ với tải trọng thử nhịp 2 19

Bảng 3.3 X c định hệ số đ nh gi RF đối với mô men 38 Bảng 3.4 X c định hệ số đ nh gi RF đối với lực cắt 39

Bảng 3.13 X c định hệ số đ nh gi RF đối với lực cắt 43

Bảng 3.15 Chỉ ti u cơ lý vải FRP được sử dụng gia cường cầu Hội Yên 45 Bảng 3.16 Khoảng cách và tải trọng các trục của xe tải đo 47 Bảng 3.17 Ứng suất thớ dưới dầm nhịp 1 và 2 50 Bảng 3.18 Độ võng tại giữa nhịp dầm nhịp 1 và 2 51 Bảng 3.19 Hệ số phân bố ngang các dầm của nhịp 1 và 2 51 Bảng 3.20 Hệ số xung kích các dầm của nhịp 1 và 2 52 Bảng 3.21 Kết quả phân tích tần số và chu kỳ của kết cấu nhịp 1 và 2 52

DUT.LRCC

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.4 Bê tông dầm chủ bị sứt mẻ cục bộ, không bằng phẳng 5

Hình 2.1 Trình tự đ nh gi tải trọng hợp pháp 13

Hình 2.3 Sơ đồ chất tải theo phương dọc cầu 18 Hình 2.4 Sơ đồ chất tải theo phương ngang cầu 18 Hình 3.1 Ứng suất - biến dạng tiết diện chữ T dầm BTCT 27 Hình 3.2 Biến dạng dầm BTCT trường hợp phá hoại đồng thời 27 Hình 3.3 Biểu đồ biến dạng dầm BTCT trường hợp tấm sợi đứt 29 Hình 3.4 Tăng cường sức kháng cắt cho dầm BTCT bằng tấm sợi FRP 35 Hình 3.5 Gia cường dầm chủ theo phương dọc cầu 36 Hình 3.6 Gia cường dầm chủ theo phương ngang cầu 37 Hình 3.7 Biển cắm tải trọng hợp ph p sau gia cường 39 Hình 3.8 Biển cắm tải trọng hợp ph p sau gia cường 41 Hình 3.9 Biển cắm tải trọng hợp ph p sau gia cường 42 Hình 3.10 Biển cắm tải trọng hợp ph p sau gia cường 43 Hình 3.11 Cầu Hội Yên sau sửa chữa và mở rộng 44 Hình 3.12 Mặt cắt ngang cầu trên trụ và mố sau sửa chữa và mở rộng 45

Hình 3.15 Hệ thống lan can tay vịn thay mới 47

Hình 3.20: Chất xe trên nhịp 2 50 Hình 3.21 Biển cắm tải trọng hợp ph p sau gia cường 53 Hình 3.22 Biển cắm tải trọng đề xuất sau gia cường 53

DUT.LRCC

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Hiện nay các công trình xây dựng phục vụ dân sinh sau một thời gian đưa v o

sử dụng, một số công trình đã uống cấp cần có biện pháp sửa chữa, cải tạo và nâng cấp Nguyên nhân dẫn đến những hỏng hóc và công trình xuống cấp có thể do nguyên nhân chủ quan v nguy n nh n h c quan như sau:

Nguyên nhân chủ quan:

+ Trong quá trình thiết kế chưa đồng bộ các quy chuẩn, tiêu chuẩn; áp dụng các quy chuẩn về tải trọng và dự báo tải trọng chưa hợp lý

+ Trong quá trình thi công các hạng mục thi công chưa đúng với hồ sơ thiết kế, quy trình, quy phạm Công t c gi m s t qu trình thi công chưa được quan t m đúng mức

+ Công tác duy tu, bảo dưỡng công trình cầu theo định kỳ chưa có

Nguyên nhân khách quan:

+ Những yếu tố về ảnh hưởng môi trường làm việc của các công trình dẫn đến hiện tượng các công trình bị ăn mòn g y ra những hư hỏng trước thời hạn như thiết kế ban đầu

+ Do nhu cầu vận tải và trọng tải của c c phương tiện giao thông tăng cao, dẫn đến tình trạng cầu thường xuyên làm việc quá tải

Điều này dẫn đến sự xuống cấp, hư hỏng của cầu, cầu hông đủ khả nẵng đảm bảo được nhu cầu cấp thiết về vận chuyển h ng hóa cũng như tồn tại nguy cơ tiềm ẩn gây mất an toàn giao thông

Tr n cơ sở đó, việc đ nh gi hiện trạng v đề xuất giải pháp thiết kế nâng cao năng lực chịu tải của cầu Hội Yên, thuộc huyện Hòa Vang, TP Đ Nẵng là rất cần thiết và cấp bách

2 Đối tượng nghiên cứu

C c cơ sở lý thuyết, mô hình tính toán lý thuyết tăng cường cho dầm BTCT bằng công nghệ dán tấm dẻo sợi carbon

Nghiên cứu sử dụng công nghệ dán tấm dẻo sợi carbon để tăng cường khả năng chịu lực cho kết cấu dầm BTCT

3 Phạm vi nghiên cứu

Đ nh gi năng lực chịu tải và nâng cao khả năng chịu lực của cầu bằng biện pháp gia cường dán sợi FRP cho cầu Hội Yên, huyện Hòa Vang, TP Đ Nẵng

Đề xuất các giải pháp thiết kế nâng cấp sửa chữa cho các cầu nói trên

4 Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu quá trình xuống cấp, hư hỏng kết cấu BTCT v phương ph p đ nh

DUT.LRCC

giá mức độ hư hỏng của kết cấu BTCT

Nghiên cứu c c đặc trưng cơ học của vật liệu FRP v đ nh gi những ưu điểm của vật liệu FRP so với các vật liệu truyền thống

Đ nh gi năng lực chịu tải của cầu

Tính toán hiệu quả dầm BTCT tăng cường tấm sợi FRP

5 Phương pháp nghiên cứu

Phương ph p nghi n cứu thực nghiệm kết hợp với lý thuyết Trong đó:

- Phương ph p thực nghiệm: được áp dụng để thực hiện c c phép đo phục vụ

c định năng lực chịu tải thực tế của cầu

- Phương ph p lý thuyết: xây dựng mô hình tính toán lý thuyết nhằm đ nh gi năng lực của kết cấu cầu và lựa chọn giải pháp thiết kế đ p ứng nhu cầu kinh tế - kỹ thuật

6 Cấu trúc của luận văn

Để đạt được mục tiêu nêu trên, luận văn trình b y trong 03 chương

Phần mở đầu

Chương 1: Tổng quan về công trình cầu Hội Yên và vật liệu sợi FPR

Chương 2: Đ nh gía năng lực chịu tải của cầu Hội Y n v cơ sở lý thuyết tính

to n gia cường cầu bằng vật liệu FRP

Chương 3: Tính to n tăng cường sức kháng uốn, sức kháng cắt của dầm cầu Hội Yên bằng tấm sợi FRP v so s nh đ nh gi với số liệu ban đầu

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ CÔNG TRÌNH CẦU HỘI YÊN VÀ VẬT LIỆU

SỢI FPR

1.1 GIỚI THIỆU VỀ CẦU HỘI YÊN

1.1.1 Tiêu chuẩn thiết kế ban đầu

Cầu Hội Yên thuộc huyện Hòa Vang, thành phố Đ Nẵng với quy mô và tiêu chuẩn kỹ thuật sau đ y:

- Quy mô : Vĩnh cửu bằng BTCT

- Các dầm được liên kết với nhau thông qua mối nối và dầm ngang

- Lớp phủ mặt cầu bằng BTN hạt trung dày 7cm, lớp phòng nước dạng màng phun

c¾t ngang t¹i trô

bè trÝ chung cÇu

Hình 1.1 Bố trí chung cầu

Hình 1.2 Mặt cắt ngang cầu tại trụ

DUT.LRCC

Hình 1.5 Khe co giãn bị hư hỏng

- Kết cấu lan can, tay vịn làm việc bình thường

- Gối cầu làm việc bình thường Tuy nhiên, xung quanh gối cầu có nhiều rác bẩn, ẩm ướt

- Khe biến dạng cơ bản ở trạng thái làm việc bình thường

1.3.1.2 Cốt sợi

Các cốt sợi thủy tinh, aramid v c c bon thường được sử dụng với hệ thống gia cường bằng vật liệu composite Các cốt sợi này giúp cho hệ thống gia cường về mặt cường độ v độ cứng

DUT.LRCC

1.3.1.3 Lớp áo bảo vệ

Lớp áo bảo vệ giúp giữ gìn cốt vật liệu gia cường đã được kết dính khỏi các tổn hại tiềm năng do t c động môi trường v cơ học Lớp bảo vệ được sử dụng ở bề mặt ngoài của hệ thống gia cường; Chúng bao gồm keo epoxy hoặc tương tự, hệ thống kết dính, lớp bảo vệ chống cháy, tạo màu sắc thẩm mỹ,

Như vậy, độ bền cũng như hả năng chịu lực của vật liệu composite sẽ phụ thuộc chủ yếu vào các thành phần chính sau:

- Vật liệu tạo cốt sợi

- Nhựa nền, có thể pha thêm chất độn

- Keo dính giữa lớp vật liệu gia cường và bề mặt bê tông

Ngoài ra, cách gia cố, cách bố trí vật liệu cũng có ảnh hưởng tới hiệu quả của việc gia cường

1.3.2 Đặc tính vật lý của vật liệu composite

1.3.2.1 Khối lượng riêng

Vật liệu composite có khối lượng riêng trong khoảng từ 1,2 tới 2,1 g/cm3, theo

đó nhỏ hơn thép từ 4 đến 6 lần tùy thuộc vào loại cốt sợi hoặc chất độn, xem Bảng 1.1 Việc giảm khối lượng riêng giúp giảm giá thành vận chuyển, giảm phần tĩnh tải gia tăng của kết cấu và có thể dễ dàng xử lý vật liệu ở công trường

Thép Cốt sợi thủy tinh Cốt sợi các bon Cốt sợi aramid

1.3.1.2 Hệ số dãn nở nhiệt

Hệ số dãn nở nhiệt của vật liệu composite chịu lực mỗi chiều khác nhau theo phương dọc và ngang tùy thuộc vào kiểu loại cốt sợi, cách dệt, loại nhựa nền và tỷ lệ cốt sợi

Bảng 1.2 Hệ số dãn nở nhiệt của các loại vật liệu composite [11]

Thép Hệ số dãn nở nhiệt (× 10-6/°C)

Theo chiều dọc, DL 6 tới 10 –1 tới 0 –6 tới –2

Theo chiều ngang, DT 19 tới 23 22 tới 50 60 tới 80

Ghi chú: đây là các giá trị điển hình đối với hàm lượng thể tích cốt sợi thay đổi trong phạm vi 0,5 tới 0,7

DUT.LRCC

1.3.1.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ cao

Phụ thuộc vào nhiệt độ giới hạn của vật liệu kết dính Tg, mô đun đ n hồi của vật liệu polymer bị giảm đ ng ể do sự thay đổi cấu trúc vật liệu của nó Giá trị của

Tg phụ thuộc vào dạng chất dính kết nhưng thông thường nằm trong khoảng từ 60°C tới 82°C Các kết quả thí nghiệm cho thấy, ở nhiệt độ 250°C (cao hơn nhiều

so với nhiệt độ giới hạn Tg của vật liệu kết dính) sẽ làm giảm cường độ chịu kéo của các vật liệu cốt sợi thủy tinh cũng như của các vật liệu cốt sợi các bon tới 20%

C c đặc tính khác bị t c động bởi sự truyền lực cắt qua phần vật liệu kết dính, chẳng hạn như cường độ chịu uốn, sẽ bị giảm ở nhiệt độ thấp

Lực dính bám mặt tiếp xúc giữa bê tông và vật liệu composite là rất quan trọng

Ở nhiệt độ gần với giá trị nhiệt độ tới hạn của vật liệu kết dính Tg, c c đặc tính cơ học của vật liệu composite bị giảm nhiều và mất khả năng chuyển đổi ứng suất từ bê tông sang vật liệu gia cường

1.2.3.3 Đặc tính cơ học

a) Cường độ chịu kéo

Ứng xử kéo của vật liệu này được biểu diễn bằng quan hệ ứng suất - biến dạng

đ n hồi tuyến tính đến khi bị phá hoại, v trong trường hợp này sự phá hoại l đột ngột

và giòn

Cường độ chịu éo v độ cứng của vật liệu cốt sợi composite phụ thuộc vào nhiều tham số Vì các sợi là thành phần chịu tải chính, nên kiểu cốt sợi, chiều sắp xếp của cốt sợi, lượng cốt sợi v phương ph p cũng như điều kiện chế tạo cốt sợi ảnh hưởng tới đặc tính chịu kéo của vật liệu này

b) Ứng xử nén

Mô đun đ n hồi nén thường nhỏ hơn so với mô đun đ n hồi kéo Các kết quả thí nghiệm với composite cốt sợi thủy tinh h m lượng 55-60% trên nền nhựa polyester cho thấy mô đun đ n hồi có giá trị trong khoảng từ 34000 Mpa đến 48000 MPa Mô đun đ n hồi nén xấp xỉ 80% mô đun đ n hồi éo đối với vật liệu GFRP, 85% đối với CFRP v 100% đối với AFRP[11]

1.2.3.4 Ứng xử theo thời gian của kết cấu sau gia cường

a) Phá hoại do từ biến

Vật liệu composite chịu một tải trọng là hằng số sau một thời gian có thể bị phá hủy Thời gian n y được gọi là tuổi thọ của vật liệu Dạng phá hoại n y được gọi là phá hoại từ biến Tuổi thọ giảm trong điều kiện môi trường nhiệt độ tăng, t c động của tia tử ngoại, hoặc chịu t c động khô ẩm liên tục

Cốt sợi các bon ít bị phá hoại do từ biến ít nhất Cốt sợi aramid ở mức trung bình và cố sợi thủy tinh có nguy cơ cao nhất Các nghiên cứu về phá hoại từ biến được

DUT.LRCC

thực hiện với cốt sợi thủy tinh, aramid và các bon với nhiều mức tải trọng khác nhau ở nhiệt độ phòng cho thấy có quan hệ tuyến tính giữa cường độ phá hoại do từ biến và logarithm của thời gian Tỷ số ứng suất tại thời điểm phá hoại sau 50 năm so với ứng suất tới hạn khởi điểm của vật liệu GFRP, AFRP và CFRP lần lượt khoảng 0,3, 0,5 và

0,9

b) Phá hoại do mỏi

Các thí nghiệm cho thấy vật liệu composite có độ bền tương tự như c c vật liệu kim loại[11] Để đảm bảo tuổi thọ mỏi trong hai th c, bi n độ ứng suất trong vật liệu dưới tác dụng của tải trọng thường được khống chế Nhờ vật liệu có cường

độ chịu kéo cao, nên những yêu cầu về độ bền mỏi dễ d ng được đảm bảo

DUT.LRCC

KẾT LUẬN CHƯƠNG 1

Qua kết quả kiểm tra khảo sát các cầu Hội Yên cho thấy rằng các cầu BTCT có

c c hư hỏng phổ biến đó l lớp bê tông bảo vệ mặt cầu bị bong tróc, hư hỏng cục bộ,

bề mặt không phẳng, không nhẵn; dầm BTCT bị nứt, vết nứt phát triển từ đ y dầm đến trục trung hòa, độ võng các dầm hông đều nhau

Từ những kết quả khảo s t c c hư hỏng nêu trên, việc đ nh gi năng lực chịu tải của cầu để có giải pháp sửa chữa, nâng cấp là rất cần thiết trong giai đoạn hiện nay; đồng thời đ nh gi lại việc cắm biển tải trọng cầu tại thời điểm khảo sát so với QCVN 41:2016/BGTVT của Bộ GTVT để các loại xe có số lượng trục khác nhau, có tải trọng khác nhau có thể hợp pháp qua cầu mà không gây nguy hiểm cho kết cấu Từ đó, đề xuất các giải pháp nâng cấp sửa chữa

DUT.LRCC

CHƯƠNG 2

ĐÁNH GÍA NĂNG LỰC CHỊU TẢI CỦA CẦU HỘI YÊN VÀ CƠ SỞ

LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN GIA CƯỜNG CẦU BẰNG

VẬT LIỆU FRP

2.1 CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ CẦU [2]

Theo tiêu chuẩn AASHTO, đối với công trình cầu đường bộ hiện nay có 3 phương ph p đã dùng để đ nh gi tải trọng:

di động và các cầu phức tạp cần bổ sung th m ti u chí đ nh gi nếu cần thiết

2.1.1 Đánh giá cầu theo hệ số sức kháng và hệ số tải trọng [2]

Đ nh gi cầu theo hệ số sức kháng và hệ số tải trọng bao gồm ba nội dung:

2.1.1.1 Đánh giá tải trọng thiết kế

Theo phương ph p đ nh gi cầu theo hệ số tải trọng và sức kháng, tải trọng

đ nh gi cấp thiết kế là hoạt tải HL93 Tải trọng đ nh gi cấp thiết kế được đ nh gi ở

02 cấp độ:

- Độ tin cậy ở cấp độ thiết kế Inventory Rating (viết tắt là IR) kết cấu cầu có thể

sử dụng cầu an toàn trong tuổi thọ thiết kế

- Độ tin cậy cấp thấp hơn Operating Rating (viết tắt l OR) l đ nh gi với hoạt tải cho phép lớn nhất có thể qua cầu, khi khai thác không giới hạn ở cấp độ OR sẽ làm

DUT.LRCC

giảm tuổi thọ của công trình cầu

Các cầu đạt với kiểm toán hoạt tải thiết kế ở cấp độ IR (hệ số đ nh gi RF ≥ 1) thì cũng đạt hi đ nh gi cho tải trọng thiết kế cấp OR và mọi tải trọng hợp pháp.Hệ số

RF được c định như sau:

(2.1)

DW là hệ số tải trọng của trọng lượng lớp phủ mặt cầu;

P là hệ số tải trọng của tải trọng thường xuyên không phải của kết cấu;

LL là hệ số tải trọng của hoạt tải;

DC làhiệu ứng do tải trọng bản thân kết cấu gây ra;

DW làhiệu ứng do tải trọng lớp phủ mặt cầu gây ra;

P làhiệu ứng do tải trọng thường xuyên không phải kết cấu gây ra;

LL làhiệu ứng do hoạt tải gây ra;

IM làtải trọng xung kích

2.1.1.2 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 d i cơ sở 5,7m, tải trọng 223kN;

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

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

Khi đ nh gi tải trọng hợp pháp (xe 3, 3-S2 và 3-3), nếu chiều dài nhịp lớn hơn 24m thì ngoài xe hợp pháp còn có các xe khác trên nhịp, tải trọng của c c e n y được thay bằng tải trọng làn lấy là 3kN/m.[2]

Việc đ nh gi tải trọng hợp pháp chỉ tiến hành khi hệ số đ nh gi tải trọng thiết

kế cấp OR nhỏ hơn 1 Khi đó cần phải cắm biển hạn chế tải trọng (biển 505b) theo QVCN 41-2016.[2]

2.1.1.3 Đánh giá tải trọng cấp phép

Đ y l cấp đ nh gi tải trọng thứ ba, cấp này chỉ áp dụng cho các cầu không cắm biển hạn chế tải trọng, nghĩa l hi đ nh gi tải trọng thiết kế v đ nh gi tải trọng hợp pháp có hệ số đ nh gi RF ≥ 1 Đ nh gi tải trọng cấp phép là kiểm toán sự an toàn và khả năng chịu tải của cầu trong quá trình cấp phép cho c c phương tiện có tải trọng vượt quá giới hạn cho phép

Ở nước ta hiện nay chỉ có e si u trường, siêu trọng mới xin cấp phép và giấy phép thường cấp cho một chuyến đi hoặc một số chuyến đi tr n những tuyến nhất định

Căn cứ vào thông số của xe xin cấp phép (lưu lượng xe qua cầu, cấu hình xe, tải trọng trục xe, tải trọng tổng cộng, ) phải tiến hành tính toán hệ số đ nh gi RF, từ đó quyết định có cấp phép hay hông Khi đ nh gi cầu theo tải trọng cấp phép cũng cần phải chỉ rõ c c điều kiện giao thông lưu thông trên cầu (cấm các xe khác qua cầu, hạn chế tốc độ, .) phù hợp với mô hình kiểm to n để đảm bảo an toàn và tuổi thọ cho công trình cầu

2.1.2 Quy trình đánh giá tải trọng theo phương pháp đánh giá hệ số tải trọng và hệ số sức kháng[2]

2.1.2.2 Công thức đánh giá tải trọng

Công thức (2.1) có thể được viết gọn lại như sau:

LL

HL LL

DL C

(2.2)

C = khả năng chịu tải của bộ phận đ nh gi ;

DL = hiệu ứng của tải trọng thường xuyên;

LL = Hiệu ứng của hoạt tải đ nh gi ;

HL = C – DL là khả năng chịu hoạt tải

Khi RF ≥ 1 tức là khả năng chịu hoạt tải lớn hơn hoặc bằng hiệu ứng của hoạt tải, bộ phận đ nh gi hai th c được với hoạt tải đ nh gi , tr i lại khi RF < 1 bộ phận

đ nh gi hông hai th c được với hoạt tải đ nh gi

Việc đ nh gi tải trọng được biểu thị tổng qu t như l một hệ số đ nh gi đối với một dạng tải trọng động nhất định, sử dụng công thức đ nh gi tổng quát

Theo AASHTO LRFD, qu trình đ nh gi được thực hiện tại mỗi trạng thái giới hạn áp dụng và hiệu ứng tải với giá trị nhỏ nhất c định hệ số đ nh gi điều khiển Công thức tổng qu t sau được sử dụng để c định mức đ nh gi tải trọng của mỗi cấu kiện đối với một hiệu ứng tải trọng riêng lẽ

2.1.3 Tính toán khả năng chịu tải C

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

C    c s R n (2.3) Đối với trạng thái giới hạn sử dụng:

C  f r (2.4) Trong đó C : Hệ số điều kiện;

s : Hệ số hệ thống ;

 : Hệ số sức kháng theo AASHTOLRFD;

Rn : Sức kháng danh định của cấu kiện

fR : ứng suất cho phép được quy định trong Tiêu chuẩn

Hệ số điều kiện c (Condition factor):

Chỉ có vật liệu tốt dựa vào sự kiểm tra kỹ lưỡng mới được xem xét trong việc

c định sức h ng danh định của mặt cắt Hệ số sức kháng  được sử dụng trong

đ nh gi giống như đối với thiết kế mới trong AASHTOLRFD Phương ph p n y chỉ

có giá trị đối với các cấu kiện trong tình trạng tốt hoặc thoả mãn Một khi cấu kiện đã

có hư hỏng và bắt đầu xuống cấp, sự không chắc chắn v thay đổi sức kháng sẽ thay

DUT.LRCC

đối lớn (độ không đồng nhất là tăng lên) và hệ số sức kháng  đối với thiết kế mới không phản nh được sự không chắc chắn đó

Hệ số điều kiện định ra sự suy giảm ước lượng để tính toán mức độ không chắc chắn trong sức kháng của các cấu kiện bị hư hỏng và sự tăng mức độ hư hỏng trong tương lai của cấu kiện đó trong giai đoạn giữa 2 đợt kiểm tra Hệ số điều kiện c thay đổi từ 0,85 đối với cấu kiện trong tình trạng xấu đến 1,0 đối với cấu kiện tốt hoặc thoả mãn

Mục tiêu của hệ số điều kiện l để tính toán mức độ tăng của sự không chắc chắn và những mất m t được dự b o trước trong tương lai Nó hông dùng để tính toán cho những thay đổi thực tế quan s t được của c c ích thước vật lý Phương ph p

n y l để lấy các thông tin của các cấu kiện kiểm tra và áp dụng nó vào trong việc xác định sức kháng của cấu kiện v sau đó p dụng hệ số điều kiện sức h ng để chiết giảm sức kháng của cấu kiện đã có hư hỏng với lý do như đã trình b y ở trên

Hệ số hệ thống s(System factor):

Các cấu kiện kết cấu tương t c với nhau để tạo thành một hệ thống kết cấu Khả

năng còn lại của cầu (bridge redundancy) là khả năng mang tải của hệ thống kết cấu

cầu sau hi có hư hại của một hoặc nhiều cấu kiện Hệ số hệ thống được nhân với sức

h ng danh định, và liên hệ với mức độ của sự còn lại so với hệ thống kết cấu hoàn chỉnh Những cầu có tính dư thấp sẽ có khả năng của cấu kiện giảm do đó chúng có mức đ nh gi thấp Các cầu hông có tính dư sẽ bị bất lợi khi yêu cầu các cấu kiện của

nó cung cấp mức độ an to n cao hơn so với các cầu tương tự với tính dư về hình dạng Mục đích của s l để bổ sung một khả năng dự trữ v do đó độ tin cậy của cả hệ thống sẽ tăng từ cấp độ Khai th c (đối với hệ thống có dự trữ) tới mục tiêu thực tế hơn đối với các hệ thống không có dự trữ tương ứng với cấp độ kiểm kê

2.1.4 Hiệu ứng tải trọng[1],[2]

2.1.4.1 Hiệu ứng tĩnh tải

DL  DC  DW   P (2.5)

DW: Hiệu ứng của tĩnh tải lớp phủ và các thiết bị tiện ích;

P: Hiệu ứng của các tải trọng thường uy n h c ngo i tĩnh tải;

DC, DW: Hệ số tải trọng lần lượt của DC v DW được lấy theo Bảng 2.1

P: Hệ số tải trọng lần lượt của P được lấy bằng 1

DUT.LRCC

Bảng 2.1 Hệ số tải trọng của hoạt tải theo TTGH

Loại cầu TTGH

Tĩnh tải

Tĩnh tải

xe chạy, các loại cầu khác nhau, tính chất tác dụng của tải trọng, v được thể hiện qua Bảng 2.2

Bảng 2.2 Hệ số tải trọng của tải trọng hợp pháp

Lưu lượng xe tải theo một chiều

2.1.4.2 Hiệu ứng hoạt tải

Hoạt tải đ nh gi của c c trường hợp cụ thể phù hợp với cấp đ nh gi được trình bày ở mục 2.1.4 Đ nh gi tải trọng thiết kế là một mức độ đ nh gi đầu tiên của cầu sử dụng tải trọng xe HL93 và tiêu chuẩn thiết kế LRFD với c c ích thước và tính chất của cầu trong điều kiện tại thời điểm kiểm tra của nó Đó l ti u chuẩn để đ nh giá cầu cũ theo y u cầu đồng bộ với tiêu chuẩn thiết kế cầu mới Trong khi kiểm tra, các cầu cũ được xem xét ở mức độ tin cậy thiết kế (cấp độ kiểm kê) hoặc ở mức độ tin cậy thứ hai thấp hơn (có thể so sánh với cấp độ tin cậy hai th c) đối với trạng thái giới hạn cường độ

Kiểm toán trạng thái giới hạn mỏi dùng xe tải thiết kế với khoảng cách trục giữa đến trục sau 9m

Hệ số xung kích (1+IM) phụ thuộc vào nhiều vào hiện trạng lớp phủ mặt cầu, tình trạng khe co giãn và chất lượng đường đầu cầu Nếu như c c cấu kiện trên có dấu hiệu xuống cấp từ thời điểm kiểm định thì cần phải đo lại dao động để có được hệ số xung kích thực tế Nếu không thể đo thì lấy (1 + IM) = 1 + 0,33 = 1,33 [1][2]

2.2 ĐÁNH GIÁ NĂNG LỰC CHỊU TẢI CỦA CẦU HỘI YÊN

2.2.1 Giới thiệu chung

Cầu Hội Yên nằm tr n địa bàn thôn Nam Yên, xã Hòa Bắc, huyện Hòa Vang, thành phố Đ Nẵng Cầu có kết cấu bằng BTCT gồm 02 nhịp 18.0m sử dụng dầm BTCT thường Khổ cầu rộng 3,5m với phần xe chạy rộng 3,0m Tải trọng cắm biển 7 tấn

2.2.2 Đánh giá tải trọng hợp pháp cầu Hội Yên

Hình 2.2 Hai xe tải đo cầu Hội Yên

2.2.2.2 Đo đạc độ võng các dầm chủ với tải trọng thử

Theo Thông tư số 84/2014/TT-BGTVT ngày 31/12/2014 của Bộ Giao thông Vận tải về Quy định về tổ chức giao thông v đặt biển báo hiệu hạn chế trọng lượng xe qua cầu đường bộ, cần thiết phải c định hệ số phân bố ngang thực tế của các dầm chủ ứng với các xe thử tải đối với các nhịp

Hình 2.3 Sơ đồ chất tải theo phương dọc cầu

Hình 2.4 Sơ đồ chất tải theo phương ngang cầu

DUT.LRCC

Khi đo đạc được giá trị độ võng tại tiết diện giữa nhịp, hệ số phân bố ngang của từng dầm chủ thực tế được c định và trình bày trên Bảng 2.4, Bảng 2.5 Giá trị hệ số phân bố ngang lớn nhất sẽ được sử dụng để đ nh gi hiện trạng của kết cấu nhịp 1, 2

Bảng 2.4 Chuyển vị của dầm chủ với tải trọng thử nhịp 1

(mm)

Hệ số phân bố ngang thực tế

Bảng 2.5 Chuyển vị của dầm chủ với tải trọng thử nhịp 2

đạc (mm)

Hệ số phân bố ngang thực tế

2.2.3 Đánh giá hiện trạng về khả năng chịu lực của kết cấu nhịp

2.2.3.1 Đặc trưng vật liệu, tiết diện

Để đ nh gi hả năng chịu tải thực tế của kết cấu nhịp, cần thiết phải c định kích thước thực tế (Bảng 2.6) v cường độ bê tông của các dầm chủ (Bảng 2.7) Riêng đối với cốt thép trong dầm chủ, do không thể lấy mẫu để thí nghiệm n n cường độ tính

to n được lấy theo tiêu chuẩn và thép chịu lực chính dựa vào hồ sơ lưu trữ

DUT.LRCC

Bảng 2.6 Các thông số mặt cắt ngang cầu

Bảng 2.7 Cường độ bê tông dầm chủ

TT Cấu kiện Vận tốc siêu âm (m/s) Cường độ bê tông (MPa)

Bảng 2.8 Tính chất cơ lý của bê tông

Bảng 2.9 Tính chất cơ lý của cốt thép

DUT.LRCC

2.2.3.2 Xác đị.nh khả năng chịu uốn kết cấu nhịp

4 Chiều dày khối ứng suất tương đương mm a c 1 69.97

Bảng 2.11 Xác định sức kháng cắt của tiết diện dầm chủ tại gối

3 Bề rộng bản bụng hữu hiệu trong chiều

4 Hệ số chỉ khả năng của bê tông bị nứt

3 1282.77 1.25 891.0 1.50 0 1.80 821.53 0.11 3S2 1282.77 1.25 891.0 1.50 0 1.80 832.02 0.11 3-3 1282.77 1.25 891.0 1.50 0 1.80 755.35 0.12

DUT.LRCC

3 489.99 1.25 204.0 1.50 0.0 1.80 138.46 0.94 3S2 489.99 1.25 204.0 1.50 0.0 1.80 155.08 0.84 3-3 489.99 1.25 204.0 1.50 0.0 1.80 149.65 0.87

Từ Bảng 2.12 và 2.13 cho thấy rằng hệ số RF đối với khả năng chịu cắt và khả năng chịu momen uốn đều nhỏ hơn 1, trong đó RF đối với khả năng chịu uốn nhỏ hơn 0,3 Do đó, tạm dừng khai thác cầu để sửa chữa

DUT.LRCC

KẾT LUẬN CHƯƠNG 2

(1) Bằng việc đo đạc hiện trường v ph n tích tính to n, c định được hệ số

đ nh gi RF đối với momen uốn đối với xe 3 trục RF =0.11 < 0.3 Do đó, đề xuất tạm dừng khai thác cầu để sửa chửa

(2) Khi hệ số đ nh gi 0.3  RF  1 thì vẫn đưa cầu v o hai th c nhưng phải cắm biển hạn chế tải trọng Do vậy, để đảm bảo khả năng hai th c của cầu cần phải tính to n gia cường và cắm biển hạn chế tải trọng trên cầu

DUT.LRCC

CHƯƠNG 3

TÍNH TOÁN TĂNG CƯỜNG SỨC KHÁNG UỐN, SỨC KHÁNG CẮT CỦA DẦM CẦU HỘI YÊN BẰNG TẤM SỢI FRP VÀ SO

SÁNH ĐÁNH GIÁ VỚI SỐ LIỆU BAN ĐẦU

3.1 MỘT SỐ GIẢI PHÁP GIA CƯỜNG TRONG CẦU BÊ TÔNG CỐT THÉP VÀ CẦU THÉP

3.1.1 Gia cường cầu BTCT và BTCT dự ứng lực [3],[4],[5],[6],[7],[13]

Giải ph p dùng để tăng cường khả năng l m việc của kết cấu cầu BTCT và BTCT dự ứng lực phổ biến hiện nay là giải ph p tăng cường vật liệu, vật liệu được tăng cường dưới nhiều hình thức h c nhau được thể hiện qua các giải pháp sau:

(1) Giải pháp đặt thêm cốt thép vùng chịu kéo: Giải ph p n y có ưu điểm là

vật liệu thông dụng, giá thành thấp Tuy nhi n, nhược điểm l tăng cường khả năng chịu lực không nhiều v l m tăng đ ng ể chiều cao kiến trúc ảnh hưởng thông thương dưới cầu

(2) Giải pháp dán bản thép: Giải pháp này không cần phá bỏ lớp b tông cũ

nếu còn tốt; hông l m tăng đ ng ể chiều cao dầm; hông l m tăng tĩnh tải quá lớn

và chi phí xây dựng thường thấp hơn so với c c phương n h c Tuy nhi n, nó được

áp dụng khi cần tăng cường tải trọng không nhiều,tính thẩm mỹ hông đẹp tạo cảm giác công trình xuống cấp nghiêm trọng và sửa chữa chắp vá

(3) Giải pháp căng cáp DƯL ngoài: Đ y l giải pháp có hiệu quả v được sử

dụng phổ biến trong cầu bê tông, bê tông cốt thép thường, cầu bê tông cốt thép dự ứng lực và cầu thép vì có những ưu điểm như hiệu quả gia cường lớn và cải thiện được độ võng toàn phần của kết cấu nhịp

(4) Giải pháp liệu FRP(Fiber Reinforced Polymer): Giải pháp này nhằm

tăng cường khả năng chịu lực kết cấucông trình v được sử dụng rộng rãi với những

ưu điểmnổi bật so với vật liệu truyền thống như cường độ chịu éo, mô đun đ n hồi rất cao và trọng lượng nhỏ; khả năng chống mài mòn cao, có sức đề kháng tốt với các chất xâm thực; c ch điện, chịu nhiệt tốt; chịu mỏi cao; thi công đơn giản ít tốn nhân công, không cần máy móc; không cần bảo dưỡng chống gỉ trong quá trình khai thác

3.1.2 Gia cường cầu thép [3],[5]

(1) Giải pháp giảm tĩnh tải: Giải pháp này chủ yếu thay thế bản mặt cầu

BTCT bằng gỗ hoặc bằng thép Khi đó,một phần khả năng chịu tĩnh tải của dầm chuyển sang chịu hoạt tải Tuy nhiên, hiện nay giải pháp này hầu như hông được áp dụng vì đảm bảo giao thông khi quá trình thi công và hiệu quả gia cường không cao

DUT.LRCC