(Luận văn thạc sĩ) dự đoán lực căng còn lại trong dầm cầu khe bó tại km 37+819 79, trên tuyến la sơn – nam đông, tỉnh thừa thiên huế bằng đo đạc chuyển vị kết hợp với mô hình số abaqus

Những khó khăn trong quá trình dự đoán lực căng còn lại của kết cấu bê tông cốt thép dự ứng lực .... Để khôi phục, giữ vững trạng thái kỹ thuật và nâng cao khả năng phục vụ đối với kết c

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

- oOo -

TRẦN VIẾT TÖ

“DỰ ĐOÁN LỰC CĂNG CÕN LẠI TRONG DẦM CẦU

KHE BÓ TẠI KM 37+819.79, TRÊN TUYẾN LA SƠN – NAM ĐÔNG, TỈNH THỪA THIÊN HUẾ BẰNG ĐO ĐẠC

CHUYỂN VỊ KẾT HỢP VỚI MÔ HÌNH SỐ ABAQUS”

LUẬN VĂN THẠC SĨ

KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG

Đà Nẵng, 2019

DUT.LRCC

- oOo -

TRẦN VIẾT TÖ

“DỰ ĐOÁN LỰC CĂNG CÕN LẠI TRONG DẦM CẦU

KHE BÓ TẠI KM 37+819.79, TRÊN TUYẾN LA SƠN – NAM ĐÔNG, TỈNH THỪA THIÊN HUẾ BẰNG ĐO ĐẠC

CHUYỂN VỊ KẾT HỢP VỚI MÔ HÌNH SỐ ABAQUS”

Chuyên ngành : Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông

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

Tác giả luận văn

Trần Viết Tú

DUT.LRCC

TRANG TÓM TẮT

DỰ ĐOÁN LỰC CĂNG CÕN LẠI TRONG DẦM CẦU KHE BÓ TẠI KM

37+819.79, TRÊN TUYẾN LA SƠN – NAM ĐÔNG, TỈNH THỪA THIÊN HUẾ

BẰNG ĐO ĐẠC CHUYỂN VỊ KẾT HỢP VỚI MÔ HÌNH SỐ ABAQUS

Học viên: Trần Viết Tú Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông

Mã số: 85 80 205 Khóa: K36 Trường Đại học Bách khoa – ĐHĐN Tóm tắt – Xác định lực căng còn lại trong dầm cầu sau thời gian khai thác là hết

sức quan trọng, nó là cơ sở quan trọng để xác định năng lực chịu tải của cầu và là căn

cứ để nâng cấp cầu Ngoài ra việc dự đoán được lực căng cũng là thông số quan trọng

để nhà thầu thi công nâng cấp cầu bằng công nghệ căng cáp dự ứng lực ngoài có cơ sở

để kiểm soát ứng suất chuyển vị trong quá trình thi công Trong nghiên cứu này tác giả

sẽ tập trung dự đoán lực căng còn lại trong dầm bằng đo đạc chuyển vị kết hợp với mô hình số Abaqus

Từ khóa – Lực căng còn lại; phần mềm Abaqus

PREDICTABLE PRE-STRESSED REMAIN

OF KHE BO BRIDGE AT PROCESS KM37 + 819.79 ON THE ROUND OF

LA SON - NAM DONG, THUA THIEN HUE PROVINCE TRANSMISSION COMBINED WITH ABAQUS MODEL

Abstract: Estimation beam prestress tendon after the exploitation time is very important, it is an important basis to assessment of resistance of the structure and is the basis for the flexural strengthening of the bridge In addition, the prediction beam prestress tendon is also an important parameter for the contractor to implement bridge leveling by external prestressed tension technology to control the deflection during construction In this study, the author will focus on predicting the remaining tension in the beam by displacement measurement combined with Abaqus numerical model

Keywords: Pre-stressed remain; Abaqus software

DUT.LRCC

MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN

TRANG TÓM TẮT

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

DANH MỤC CÁC BẢNG

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

MỞ ĐẦU 1

1 Tên đề tài 1

2 Lý do chọn đề tài 1

3 Đối tượng nghiên cứu 2

4 Mục tiêu nghiên cứu 2

5 Kết cấu của luận văn 2

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG TÁC ĐÁNH GIÁ NĂNG LỰC CHỊU TẢI CỦA KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP DỰ ỨNG LỰC 3

1.1 T ng quan về cầu Khe Bó tại Km37 819.79, huyện Nam Đông, t nh Th a Thiên Huế 3

1.2 T ng quan về các biện pháp đánh giá năng lực chịu tải của cầu 13

1.3 T ng quan về các phương pháp dự đoán lực căng còn lại của kết cấu bê tông cốt thép dự ứng lực 16

1.4 Những khó khăn trong quá trình dự đoán lực căng còn lại của kết cấu bê tông cốt thép dự ứng lực 19

1.5 Kết luận chương 19

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT XÁC ĐỊNH LỰC CĂNG CÕN LẠI TRONG DẦM 20

2.1 Giới thiệu về phần mềm ABAQUS và các ứng dụng 20

2.2 Mô hình hóa cầu trên phần mềm ABAQUS 22

2.3 Tải trọng phục vụ khảo sát chuyển vị 35

2.4 Xác định chuyển vị của kết cấu nhịp cầu bằng mô hình số 38

2.5 Đánh giá kết quả 46

2.6 Kết luận chương 2 47

CHƯƠNG 3 DỰ ĐOÁN LỰC CĂNG CÕN LẠI CỦA CẦU THÔNG QUA THỰC NGHIỆM 48

3.1 Cơ sở lý thuyết 48

3.2 Tải trọng dùng để đo đạc chuyển vị 48

3.3 Kết quả đo đạc 57

DUT.LRCC

3.4 Xác định hệ số phân bố ngang của cầu 69

3.5 Xác định lực căng còn lại của dầm 70

3.6 So sánh và phân tích kết quả giữa mô hình số và thực nghiệm 78

3.7 Kết luận chương 78

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 79 TÀI LIỆU THAM KHẢO

QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (Bản sao)

DUT.LRCC

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

AASHTO :American Association of State Highway and Transportation

Officials AASHTO LRFD : American Association of State Hightway and Transportion

Officials Load and Resistance Factor Design ACI : American Concrete Insitute

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.2 Đặc trưng hình học của dầm 36 Bảng 2.3 Kết quả kiểm toán sức kháng uốn của dầm 37 Bảng 2.4 Kết quả kiểm toán sức kháng cắt của dầm 37 Bảng 2.5 Kết quả kiểm toán ứng suất của dầm 38 Bảng 2.6 T ng hợp độ võng do bản thân cáp DƯL xe tải thử với thế

tải đúng tâm

46

Bảng 2.7 T ng hợp độ võng do bản thân cáp DƯL xe tải thử với thế

tải lệch tâm phải

46

Bảng 2.8 T ng hợp độ võng do bản thân cáp DƯL xe tải thử với thế

tải lệch tâm trái

46

Bảng 3.1 Thông số về kích thước và tải trọng xe thử nghiệm 51 Bảng 3.2 Kết quả đo võng các dầm do hoạt tải tĩnh – sơ đồ A 57 Bảng 3.3 Kết quả đo võng các dầm do hoạt tải tĩnh – sơ đồ B 58 Bảng 3.4 Kết quả đo võng các dầm do hoạt tải tĩnh – sơ đồ C 59 Bảng 3.5 Hệ số phân bố ngang các dầm do hoạt tải tĩnh – sơ đồ A 69 Bảng 3.6 Hệ số phân bố ngang các dầm do hoạt tải tĩnh – sơ đồ B 69 Bảng 3.7 Hệ số phân bố ngang các dầm dọc nhịp N1 do hoạt tải tĩnh –

sơ đồ 1C

69

DUT.LRCC

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1 Tính cấp thiết của đề tài 1 Hình 1.1 Cầu Khe Bó – Km 37+819,79 3 Hình 1.2 Hiện trạng cầu Khe Bó – Km 37+819,79 3 Hình 1.3 Bố trí chung cầu Khe Bó - Km 37+819.79 4 Hình 1.4 Kết cấu thượng bộ cầu Khe Bó - Km 37+819.79 5 Hình 1.5 Cắt ngang dầm T24m Cầu Khe Bó - Km 37+819.79 5 Hình 1.6 Mặt cắt dọc dầm T24m Cầu Khe Bó - Km 37+819.79 6 Hình 1.7 Mặt cắt ngang tại trụ cầu Cầu Khe Bó - Km 37+819.79 6 Hình 1.8 Mặt cắt ngang tại trụ cầu Cầu Khe Bó - Km 37+819.79 7 Hình 1.9 Các dạng vết nứt trong kết cấu nhịp cầu 9 Hình 1.10 Nứt vỡ bê tông bên trên thớt gối 9 Hình 1.11 Bê tông r t ong, r cốt thép, nứt vỡ 10

Hình 2.6 Mặt cắt dọc dầm T24m 23 Hình 2.7 Kích thước xe thử tải 24 Hình 2.8 Khai báo mặt cắt dầm T 25

DUT.LRCC

Số hiệu Tên hình Trang

Hình 2.9 Dầm T24 sau khi xây dựng xong 25 Hình 2.10 Khai báo mặt cắt dầm T 26 Hình 2.11 Dầm ngang sau khi xây dựng xong 26 Hình 2.12 Khai báo mặt cắt bản mặt cầu 27 Hình 2.13 Bản mặt cầu sau khi xây dựng xong 27 Hình 2.14 Khai báo mặt cắt cáp dự ứng lực 27 Hình 2.15 Cáp DUL sau khi xây dựng xong 28 Hình 2.16 Định nghĩa vật liệu bê tông 28 Hình 2.17 Định nghĩa vật liệu cáp dự ứng lực 28 Hình 2.18 Định nghĩa thuộc tính mặt cắt 29 Hình 2.19 Định nghĩa lắp ghép cấu kiện 29 Hình 2.20 Định nghĩa lắp ghép cáp DUL 29

Hình 2.22 Thiết lập bước phân tích 30 Hình 2.23 Định nghĩa ràng buộc cáp DUL và bê tông 31 Hình 2.24 Định nghĩa ràng buộc BMC và dầm T 31 Hình 2.25 Định nghĩa ràng buộc dầm ngang và dầm T 32 Hình 2.26 Gán tải trọng cáp DUL 32 Hình 2.27 Gán tải trọng thử trường hợp đúng tâm tại L/2 33 Hình 2.28 Gán tải trọng thử trường hợp lệch tâm tại L/2 33 Hình 2.29 Xây dựng điều kiện biên 33 Hình 2.30 Tạo mạng lưới hệ dầm (mesh) 34 Hình 2.31 Tạo mạng lưới cáp DUL (mesh) 34 Hình 2.32 Công tác phân tích 34 Hình 2.33 Kích thước xe thử tải 35 Hình 2.34 Mặt cắt ngang bố trí cáp DƯL 36 Hình 2.35 Chuyển vị U2 do cáp DUL gây ra khi không có tải trọng thử 39 Hình 2.36 Độ võng do xe thử đặt đúng tâm tại L/2-4m 39 Hình 2.37 Độ võng của cầu do xe thử đặt đúng tâm tại L/2-4m 39 Hình 2.38 Độ võng do xe thử đặt đúng tâm tại L/2-2m 40 Hình 2.39 Độ võng của cầu do xe thử đặt đúng tâm tại L/2-2m 40

DUT.LRCC

Số hiệu Tên hình Trang

Hình 2.40 Độ võng do xe thử đặt đúng tâm tại L/2 40 Hình 2.41 Độ võng của cầu do xe thử đặt đúng tâm tại L/2 41 Hình 2.42 Độ võng do xe thử đặt đúng tâm tại L/2 2m 41 Hình 2.43 Độ võng của cầu do xe thử đặt đúng tâm tại L/2 2m 41 Hình 2.44 Độ võng do xe thử đặt đúng tâm tại L/2 2m 42 Hình 2.45 Độ võng của cầu do xe thử đặt đúng tâm tại L/2 4m 42 Hình 2.46 Độ võng do xe thử đặt lệch tâm tại L/2-4m 42 Hình 2.47 Độ võng của cầu do xe thử đặt lệch tâm tại L/2-4m 43 Hình 2.48 Độ võng do xe thử đặt lệch tâm tại L/2-2m 43 Hình 2.49 Độ võng của cầu do xe thử đặt lệch tâm tại L/2-2m 43 Hình 2.50 Độ võng do xe thử đặt lệch tâm tại L/2 44 Hình 2.51 Độ võng của cầu do xe thử đặt lệch tâm tại L/2 44 Hình2.52 Độ võng do xe thử đặt lệch tâm tại L/2 2m 44 Hình 2.53 Độ võng của cầu do xe thử đặt lệch tâm tại L/2 2m 45 Hình 2.54 Độ võng do xe thử đặt lệch tâm tại L/2 4m 45 Hình 2.55 Độ võng của cầu do xe thử đặt lệch tâm tại L/2 4m 45 Hình 3.1 Thuật toán dự đoán lực căng còn lại trong dầm bằng đo đạc

chuyển vị kết hợp mô hình số Abaqus

(L/2+4m)

54

DUT.LRCC

Số hiệu Tên hình Trang

Hình 3.15 Sơ đồ xếp tải đo võng lệch tâm trái (Phải), vị trí L/2 55 Hình 3.16 Sơ đồ xếp tải đo võng lệch tâm trái (Phải), vị trí L/2-2m (L/2-

4m)

55

Hình 3.17 Sơ đồ bố trí điểm đo võng dầm 56 Hình 3.18 Thu thập số liệu 56 Hình 3.19 Biểu đồ chuyển vị của các dầm dưới tác dụng của tải trọng

MỞ ĐẦU

1 Tên đề tài

“Dự đoán lực căng còn lại trong dầm cầu Khe Bó tại Km 37+819.79, trên tuyến

La Sơn – Nam Đông, t nh Th a Thiên Huế bằng đo đạc chuyển vị kết hợp với mô hình

GIAO THÔNG

BỆNH VIỆN, TRƯỜNG HỌC…

THÔNG TIN LIÊN

NGUỒN VỐN

DUT.LRCC

Ở Việt Nam hiện nay, cùng với sự phát triển của nền kinh tế thì hạ tầng giao thông cũng đang được đ i thay mạnh mẽ với nhiều công nghệ thiết kế và thi công tiên tiến được áp dụng

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

Để khôi phục, giữ vững trạng thái kỹ thuật và nâng cao khả năng phục vụ đối với kết cấu bê tông cốt thép dự ứng lực thì việc xác định lực căng còn lại trong dầm cầu sau nhiều năm khai thác sử dụng là hết sức cần thiết Do đó, tác giả đã chọn đề tài:

“Dự đoán lực căng còn lại trong dầm cầu Khe Bó tại Km 37+819.79, trên tuyến La Sơn – Nam Đông, t nh Th a Thiên Huế bằng đo đạc chuyển vị kết hợp với mô hình số

Abaqus”

3 Đối tượng nghiên cứu

- Cầu Khe Bó nằm trên tuyến đường La Sơn – Nam Đông tại lý trình Km37 819.79 thuộc huyện Nam Đông, t nh Th a Thiên Huế

- Công nghệ căng cáp DUL ngoài

4 Mục tiêu nghiên cứu

- Phân tích chuyển vị của cầu bằng phần mềm Abaqus

- Thực nghiệm đo đạc chuyển vị của cầu

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

5 Kết cấu của luận văn

Chương 1: T ng quan về công tác đánh giá năng lực chịu tải của kết cấu bê tông

cốt thép dự ứng lực

Chương 2: Cơ sở lý thuyết xác định lực căng còn lại trong dầm

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

Kết luận và kiến nghị

DUT.LRCC

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

CỦA KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP DỰ ỨNG LỰC

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

Hình 1.1 Cầu Khe Bó – Km 37+819,79

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

DUT.LRCC

1.1.1 Kết cấu cầu

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

1.1.1.1 Tiêu chuẩn kỹ thuật

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

- Tần suất thiết kế: P=1%

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

- Bề rộng cầu: (8.72+2x0.35) = 9.42 m

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

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

DUT.LRCC

1.1.1.2 Phương án kết cấu

a Kết cấu thượng bộ:

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

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

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

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

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

DUT.LRCC

Gối cầu: dùng gối cao su cốt bản thép

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

b Kết cấu hạ bộ:

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

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

DUT.LRCC

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

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

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

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

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

c Đường đầu cầu:

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

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

DUT.LRCC

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

1.1.2 Các d ng hƣ hỏng trong kết cấu nhịp cầu Khe Bó – Km 37+819.79

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

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

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

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

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

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

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

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

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

ta có các loại vết nứt như sau:

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

những năm đầu khai thác cầu Nguyên nhân là do biến dạng ngang lớn khi dự ứng lực nén mạnh bê tông và do co ngót bị cản trở Hậu quả là r nhanh và trầm trọng ở cốt

DUT.LRCC

thép dự ứng lực, các sản phầm do r tạo ra sẽ trương nở to thêm vết nứt, khiến r càng nhanh hơn và sớm phá hoại kết cấu nhịp

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Hình 1.10 Nứt vỡ bê tông bên trên thớt gối

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

cục bộ

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

năm 1990 đều bị khuyết tật này (chiếm trên 90%) Các vị trí khuyết tật này ph biến là

DUT.LRCC

các mối nối dọc hoặc dưới bản cánh đặc biệt là dầm biên do ống thoát nước kém hoặc nước mưa tạt

Hình 1.11 Bê tông rổ tổ ong, rỉ cốt thép, nứt vỡ

1.1.2.2 Các dạng hư hỏng trong kết cấu nhịp cầu

Hư hỏng phần mặt cầu do các nguyên nhân sau:

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

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

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

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

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

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

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

nhiều nguyên nhân như sau:

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

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

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

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

DUT.LRCC

1.1.2.3 Hiện trạng cầu Khe Bó - Km 37+819.79

a Kết cấu thượng bộ:

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

tróc sơn một số vị trí

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

Hình 1.12 Lan can tay vịn Hình 1.13 Hiện trạng mặt cầu

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

Hình 1.14 Khe co giãn

DUT.LRCC

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

Hình 1.15 Dầm cầu

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

Hình 1.16 Đá kê gối Hình 1.17 Ụ chống xô

b Kết cấu hạ bộ:

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

Hình 1.18 Mố cầu

DUT.LRCC

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

Hình 1.19 Trụ cầu

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

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

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

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

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

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

1.2.1 Các phương pháp đánh giá cầu

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

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

DUT.LRCC

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

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

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

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

1.2.2.1 Đánh giá tải trọng thiết kế

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

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

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

số RF được xác định như sau:

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

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

DW: Hiệu ứng của tĩnh tải do lớp phủ mặt cầu và các thiết bị phục vụ công cộng;

+ P: Tải trọng tác động thường xuyên ngoài tĩnh tải Dấu “±” xét đến ảnh hưởng của những tải trọng (P) này là thuận lợi hay không thuận lợi với khả năng chịu hoạt tải;

LL: Hiệu ứng của hoạt tải;

IM: tác động xung kích của tải trọng;

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

γDW: Hệ số tải trọng LRFD cho lớp phủ mặt cầu và các thiết bị phục vụ công cộng;

γP: Hệ số tải trọng LRFD cho tải trọng thường xuyên ngoài tĩnh tải;

γLL: Hệ số hoạt tải đánh giá;

1.2.2.2 Đánh giá tải trọng hợp pháp

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

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

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

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

DUT.LRCC

1.2.2.3 Đánh giá tải trọng cấp phép

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

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

1.2.3.1 Trình tự đánh giá

Quy trình đánh giá tải trọng phù hợp với đánh giá theo hệ số tải trọng và hệ số sức kháng được thể hiện trên hình 1.20

Hình 1.20 Trình tự đánh giá tải trọng hợp pháp 1.2.3.2 Công thức đánh giá tải trọng

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

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

+ DL: Hiệu ứng của tải trọng thường xuyên;

+ LL: Hiệu ứng của hoạt tải đánh giá;

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

1.2.3.3 Tính toán khả năng chịu tải C

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

C S n

C     R (1.3)

DUT.LRCC

Đối với trạng thái giới hạn sử dụng:

+ Rn: Sức kháng danh định của cấu kiện;

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

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

Hiện nay có một số phương pháp dự đoán lực căng còn lại của kết cấu bê tông cốt thép dự ứng lực như dự đoán qua đo đạc độ võng, đo đạc tần số dao động, và hiện nay phương pháp được xem là cho độ tin cậy cao nhất là dự đoán qua chuyển vị thực nghiệm và lý thuyết tính như sau:

Trong dầm chủ của cầu dầm BTCT dự ứng lực bao gồm các tải trọng chính sau: tải trọng bản thân (DCi), tải trọng tĩnh tải giai đoạn 2 (DW), tải trọng cáp dự ứng lực trong dầm (PS - đây chính là ẩn số cần tìm)

Nguyên lý để dự đoán lực căng còn lại trong dầm như sau:

Hiện tại, khi chưa xét đến hoạt tải trong dầm đã có độ võng nhất định, trong đó

độ võng bao gồm chuyển vị CV1 DC+DW do trọng lượng bản thân và các tĩnh tải khác – xác định được theo (1.11); độ võng CV2 PS do lực căng trong dầm – chưa xác định được do chưa có giá trị lực căng P theo (1.12) hoặc (1.13)

Để dự đoán được lực căng còn lại trong dầm ta sẽ tiến hành như sau:

Đo đạc chuyển vị thực tế tại đáy dầm tại vị trí L/2 khi chưa có tải trọng hoạt tải

CV0= CV1 DC+DW+ CV2 PS (1.5) Cho tải trọng P1 vào cầu theo sơ đồ đã định trước, đo đạc chuyển vị thực tế tại đáy dầm tại vị trí L/2

CV4= CV1 DC+DW+ CV2 PS +CV3 P1 (1.6) Ứng với tải trọng P2:

CV5= CV1 DC+DW+ CV2 PS +CV3 P2 (1.7) Ứng với tải trọng P3:

CV6= CV1 DC+DW+ CV2 PS +CV3 P3 (1.8) Trong các công thức (1.5); (1.6); (1.7); (1.8):

hợp với siêu âm dò vị trí cốt thép dự ứng lực sẽ tính toán dự đoán được lực căng còn cáp dự ứng lực.

Trong đó:

CV0: chuyển vị do trọng lượng bản thân và lực căng cáp dự ứng lực trong dầm;

CV1 DC+DW: Chuyển vị do trọng lượng bản thân và các tĩnh tải khác trong dầm– tính được theo lý thuyết;

CV2 PS: Chuyển bị trong dầm do lực căng cáp trong dầm – đây là ẩn số của bài toán;

CV3 P1: Chuyển vị của dầm do tải trọng tập trung P1 gây ra – Tính được theo lý thuyết;

CV3 P2: Chuyển vị của dầm do tải trọng tập trung P2 gây ra– Tính được theo lý thuyết;

CV3 P3: Chuyển vị của dầm do tải trọng tập trung P3 gây ra – Tính được theo lý thuyết;

P1; P2; P3: Có thể là tải trọng trục của 1 xe hoặc nhiều xe

Chuyển vị của dầm do tải trọng tải trọng tập trung được xác định theo công thức sau:

(1.9)

(1.10)

(1.11)

DUT.LRCC

E: Mô đun đàn hồi của bê tông

I: Mômen quán tính của mặt cắt bê tông

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

Sau khi đo đạc được CVo vàtính toán được CV1DC+DW, áp dụng công thức (1.13) suy ra lực căng trong dầm dự ứng lực còn lại trong dầm:

(1.14)

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

Sau khi đo đạc được CV4; CV5; CV6;vàtính toán được CV1DC+DW

và CV3 do P1, P2, P3 theo lý thuyết t công thức (1.6) suy ra chuyển vị trong dầm do cáp dự ứng lực gây ra:

CV2i PS = CVi - CV1DC+DW - CV3 Pi (1.15)

Áp dụng công thức (1.14) lực căng trong dầm dự ứng lực còn lại trong dầm:

(1.16)

DUT.LRCC

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

- Độ vồng do cáp DƯL theo tính toán lý thuyết và mô hình số là giá trị lý tưởng Do vậy cần xác định các hệ số tính toán như các hệ số về mất mát ứng suất (do trượt neo, do nén đàn hồi, do tự chùng…) và hệ số  sao cho phù hợp với thực tế nhất;

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

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

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

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

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

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT XÁC ĐỊNH LỰC CĂNG CÕN LẠI TRONG DẦM

2.1 Giới thiệu về phần mềm ABAQUS và các ứng dụng

2.1.2 Giới thiệu về phần mềm ABAQUS và các ứng dụng

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

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

Hình 2.1 Giao diện phần mềm Abaqus 6.14

DUT.LRCC

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

để tiến hành phân tích và xử lý kết quả

Tác giả sử dụng phần mềm Abaqus để mô phỏng bài toán theo phương pháp chuyển vị b i những thế m nh so với các phần mềm khác những điểm sau:

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

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

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

- Thích hợp cho việc nghiên cứu

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

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

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

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

DUT.LRCC

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

dụng bên ngoài và lực thể tích

1(2

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

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

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

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

2.2 Mô hình hóa cầu trên phần mềm ABAQUS

2.2.1 Dữ liệu đầu vào

a Kích thước cấu kiện:

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

DUT.LRCC

Hình 2.4 Cắt ngang cầu

Hình 2.5 Kích thước dầm T

Hình 2.6 Mặt cắt dọc dầm T24m

DUT.LRCC

b Vật liệu:

- Bê tông:

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

Mô đun đàn hồi bê tông dầm Ec = 31799 Mpa

+ Hệ số Poison: 0.2

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

Cường độ chịu kéo fpu= 1860 Mpa

+ Giới hạn chảy Fpy = 1674 Mpa

Mô đun đàn hồi Ep= 197000 Mpa

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

Hình 2.7 Kích thước xe thử tải

d Điều kiện biên:

- Đầu dầm trái: Gối cố định

- Đầu dầm phải: Gối di động

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

T là tuyệt đối

2.2.2 Tiến hành mô hình

Quá trình mô hình trải qua 9 bước sau:

B1: Xây dựng cấu kiện

Các cấu kiện cần xây dựng:

DUT.LRCC

1 Dầm T24:

Hình 2.8 Khai báo mặt cắt dầm T

Hình 2.9 Dầm T24 sau khi xây dựng xong

DUT.LRCC

2 Dầm ngang:

Hình 2.10 Khai báo mặt cắt dầm T

Hình 2.11 Dầm ngang sau khi xây dựng xong

DUT.LRCC

3 Bản mặt cầu:

Hình 2.12 Khai báo mặt cắt bản mặt cầu

Hình 2.13 Bản mặt cầu sau khi xây dựng xong

4 Cáp DUL:

Hình 2.14 Khai báo mặt cắt cáp dự ứng lực

DUT.LRCC

Hình 2.15 Cáp DUL sau khi xây dựng xong

B2: Định nghĩa vật liệu và thuộc tính mặt cắt

Hình 2.16 Định nghĩa vật liệu bê tông

Hình 2.17 Định nghĩa vật liệu cáp dự ứng lực

DUT.LRCC