Luận văn thạc sĩ phân tích khả năng chịu tải thực tế và đánh giá độ tin cậy cầu vĩ dạ trên quốc lộ 49a thành phố huế

PHÂN TÍCH KHẢ NĂNG CHỊU TẢI THỰC TẾ VÀ ĐÁNH GIÁ ĐỘ TIN CẬY CỦA CẦU VĨ DẠ TRÊN QUỐC LỘ 49A, THÀNH PHỐ HUẾ Học viên: Trần Tín Nghĩa Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông M

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

TRẦN TÍN NGHĨA

PHÂN TÍCH KHẢ NĂNG CHỊU TẢI THỰC TẾ

VÀ ĐÁNH GIÁ ĐỘ TIN CẬY CẦU VĨ DẠ TRÊN

QUỐC LỘ 49A, THÀNH PHỐ HUẾ

LUẬN VĂN THẠC SĨ

KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG

Đà Nẵng - Năm 2019

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

TRẦN TÍN NGHĨA

PHÂN TÍCH KHẢ NĂNG CHỊU TẢI THỰC TẾ

VÀ ĐÁNH GIÁ ĐỘ TIN CẬY CẦU VĨ DẠ TRÊN

QUỐC LỘ 49A, THÀNH PHỐ HUẾ

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông

Mã số: 85.80.205

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Người hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN DUY THẢO

Đà Nẵng, -Năm 2019

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 Tín Nghĩa

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

MỤC LỤC ii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT v

DANH MỤC CÁC BẢNG vi

DANH MỤC CÁC HÌNH vii

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục đích nghiên cứu 1

3 Phạm vi nghiên cứu 1

4 Phương pháp nghiên cứu 2

5 Bố cục đề tài 2

CHƯƠNG 1 CÔNG TRÌNH CẦU VĨ DẠ, THÀNH PHỐ HUẾ, TỈNH THỪA THIÊN HUẾ 3

1.1 GIỚI THIỆU CHUNG CÔNG TRÌNH CẦU VĨ DẠ 3

1.1.1 Vị trí xây dựng công trình 3

1.1.2 Tải trọng thiết kế và qui mô công trình 3

1.2 HIỆN TRẠNG CỦA CẦU VĨ DẠ 4

1.2.1 Bố trí chung cầu 4

1.2.2 Kết cấu phần trên 4

1.2.3 Kết cấu phần dưới 4

1.2.4 Các hạng mục khác 5

1.3 NHU CẦU TẠO CƠ SỞ DỮ LIỆU ĐỂ QUẢN LÝ CÁC CẦU TRÊN ĐỊA BÀN TỈNH THỪA THIÊN HUẾ HIỆN NAY 6

1.4 TÍNH CẤP THIẾT CỦA VIỆC PHÂN TÍCH KHẢ NĂNG CHỊU TẢI THỰC TẾ VÀ ĐÁNH GIÁ ĐỘ TIN CẬY CẦU VĨ DẠ 7

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐÁNH GIÁ ĐỘ TIN CẬY CỦA KẾT CẤU CÔNG TRÌNH 9

2.1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ĐỘ TIN CẬY KẾT CẤU CÔNG TRÌNH 9

2.1.1 Tổng quan về lý thuyết độ tin cậy của kết cấu công trình 9

2.1.2 Quá trình phát triển mô hình đánh giá độ tin cậy theo phương pháp lý thuyết xác suất và thống kê toán học 9

2.2 MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN ĐỘ TIN CẬY CỦA KẾT CẤU CÔNG TRÌNH 11

2.2.1 Chỉ số độ tin cậy β 12

2.2.2 Phương pháp tuyến tính hóa xác định chỉ số độ tin cậy  15

Kết luận Chương 2 20

CHƯƠNG 3 PHÂN TÍCH KHẢ NĂNG CHỊU TẢI VÀ ĐÁNH GIÁ ĐỘ TIN CẬY CẦU VĨ DẠ 21

3.1 PHÂN TÍCH KHẢ NĂNG CHỊU TẢI CẦU VĨ DẠ 21

3.1.1 Khảo sát hiện trạng cầu Vĩ Dạ 21

3.1.2 Đo đạc cường độ bê tông các kết cấu chính cầu Vĩ Dạ 25

3.1.3 Đo đạc phản ứng kết cấu nhịp cầu Vĩ Dạ dưới tác dụng của hoạt tải thử nghiệm 28

3.1.4 Phân tích khả năng chịu tải của kết cấu nhịp cầu Vĩ Dạ 35

3.2 ĐÁNH GIÁ ĐỘ TIN CẬY KẾT CẤU NHỊP CẦU VĨ DẠ 38

3.2.1 Độ tin cậy mục tiêu của cầu Vĩ Dạ 38

3.2.2 Xác định độ tin cậy kết cấu nhịp của cầu Vĩ Dạ 39

KẾT LUẬN 52 TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHỤ LỤC

QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (Bản sao)

PHÂN TÍCH KHẢ NĂNG CHỊU TẢI THỰC TẾ VÀ ĐÁNH GIÁ ĐỘ TIN CẬY CỦA

CẦU VĨ DẠ TRÊN QUỐC LỘ 49A, THÀNH PHỐ HUẾ

Học viên: Trần Tín Nghĩa Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình giao

thông

Mã số: 860580205 Khóa: K36 Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN

Tóm tắt: Nội dung nghiên cứu của Luận văn tập trung vào việc phân tích khả

năng chịu tải thực tế kết cấu nhịp công trình Cầu Vĩ Dạ trên Quốc lộ 49A, TP Huế dựa trên các số liệu kết quả đo đạc thực tế: ứng suất, độ võng Kết quả nghiên cứu cho thấy kết cấu dầm cầu đảm bảo yêu cầu hoạt tải thiết kế mở rộng HL93 Luận văn cũng tiến hành đánh giá độ tin cậy của kết cấu nhịp dựa trên cơ

sở lý thuyết độ tin cậy theo điều kiện sức kháng uốn Kết quả nghiên cứu thể hiện rằng: khi độ lệch của tải trọng và độ lệch sức khng của dầm tăng lên, độ tin cậy của dầm sẽ suy giảm khá đáng kể Từ đó, có thể đưa ra giải pháp hạn chế độ lệch chuẩn của tải trọng dựa trên độ lệch chuẩn của sức kháng nhằm đảm bảo chỉ

số độ tin cậy mục tiêu của cầu Các kết quả đạt được của đề tài có thể được sử dụng như cơ sỡ dữ liệu nhằm cải thiện công tác quản lý cầu trong quá trình khai

thác sử dụng

Từ khóa – Độ tin cậy; độ tin cậy mục tiêu; tuổi thọ; sức kháng uốn; độ lệch

chuẩn

ANALYSIS OF THE REALITY OF LOADING, AND ASSESSMENT OF

RELIABILITY OF VI DA BRIDGE IN NATIONAL 49A, HUE CITY

Abstract - The dissertation's content focuses on analyzing the actual load

bearing capacity of Vi Da Bridge structure span on Highway 49A, Hue City based on the actual measurement results: stress, degree hammock The research results show that the girder structure ensures the extended design load HL93 The thesis also conducts the reliability of the span structure based on the reliability theory based on bending resistance conditions The study results show that: when the deviation of the load and the deflection resistance of the beam increases, the reliability of the beam will decline significantly From there, it is possible to propose solutions to limit the standard deviation of the load based on the standard deviation of resistance to ensure the target reliability index of the demand The results of this project can be used as a database to improve the demand management in the process of exploitation and use

Key words - Reliability; Target reliability; longevity; bending resistance;

standard deviation

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

Bảng 3.6 Tổng hợp kết quả ứng suất trong kết cấu nhịp dầm T

Bảng 3.12 Độ lệch chuẩn của tải trọng hoạt tải 41

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.2 Vị trí xây dựng cầu Vỹ Dạ, Thừa Thiên Huế 3

Hình 2.2 Mô hình giao thoa thể hiện xác suất không an toàn 14

Hình 3.5 Kiểm tra cường độ của bê tông mố và trụ cầu 26 Hình 3.6 Kiểm tra cường độ của bê tông dầm chủ 26 Hình 3.7 Vị trí đo ứng suất tĩnh và chuyển vị (võng) dầm chủ 29 Hình 3.8 Vị trí đo gia tốc dao động, chuyển vị động (hoặc biến dạng

trọng hoạt tải của dầm chủ 01

42 Hình 3.16 Biểu đồ quan hệ chỉ số độ tim cậy β và độ lệch chuẩn tải

Hình 3.17 Biểu đồ quan hệ chỉ số độ tim cậy β và độ lệch chuẩn tải

Hình 3.18 Biểu đồ quan hệ chỉ số độ tim cậy β và độ lệch chuẩn tải

trọng hoạt tải của dầm chủ 04

45

Hình 3.19 Biểu đồ quan hệ chỉ số độ tim cậy β và độ lệch chuẩn tải

trọng hoạt tải của dầm chủ 05

46

Hình 3.20 Biểu đồ quan hệ chỉ số độ tim cậy β và độ lệch chuẩn tải

Hình 3.21 Biểu đồ quan hệ chỉ số độ tim cậy β và độ lệch chuẩn tải

trọng hoạt tải của 6 dầm chủ nhịp số 5 trường hợp độ lệch chuẩn sức kháng 14%

49

Hình 3.22 Biểu đồ quan hệ chỉ số độ tim cậy β và độ lệch chuẩn tải

trọng hoạt tải của 6 dầm chủ nhịp số 5 trường hợp độ lệch chuẩn sức kháng 15%

50

Hình 3.23 Biểu đồ quan hệ chỉ số độ tim cậy β và độ lệch chuẩn tải

trọng của 6 dầm chủ nhịp số 5 trường hợp độ lệch chuẩn sức kháng 16%

51

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

- Hiện trạng hệ thống giao thông đường bộ trên địa bàn tỉnh Thừa Thiên Huế bao gồm 4.734,208 km/2.608 tuyến đường, với 476 cầu có chiều dài tổng cộng 18.052m trên các tuyến đường huyện, thị xã, đường tỉnh, đường đô thị, đường vành đai, đường quốc lộ Các cây cầu hầu như được xây dựng từ lâu trong điều kiện áp dụng các tiêu chuẩn trước đây không còn hiệu lực Mặt khác, những năm gần đây mật độ giao thông trên toàn Tỉnh ngày một gia tăng, ảnh hưởng trực tiếp đến tuổi thọ công trình, tiềm ẩn nhiều nguy cơ mất an toàn giao thông cho người và phương tiện cũng như khả năng phục vụ công trình cầu khi phương tiện lưu thông qua cầu

- Trong số đó có cầu Vĩ Dạ nằm trên Quốc lộc 49A, bắc qua sông Như Ý nối đường Bà Triệu và đường Phạm Văn Đồng, thuộc địa phận thành phố Huế, tỉnh Thừa Thiên Huế Cầu được thiết kế theo quy trình thiết kế cầu cống theo trạng thái giới hạn 22TCN 18-79, với qui mô vĩnh cửu bằng BTCT và BTCTDƯL, gồm 5 nhịp dầm giản đơn chữ T bằng BTCT DUL dài 33m, mặt cắt ngang gồm 6 phiến dầm, với tổng chiều dài cầu L=169,5m Khổ cầu: B = 2,5 + 8 + 2,5 Tổng bề rộng cầu 14,0m

- Trải qua một thời gian khai thác (từ tháng 5 năm 1998), hiện trạng cầu đang khai thác và sử dụng tốt Tuy nhiên, đứng trước áp lực lưu lượng và tải trọng giao thông ngày càng tăng, và tải trọng tính toán theo quy trình thiết kế đã không còn hiệu lực Nên cần phải có đánh giá lại khả năng phục vụ của cầu Vĩ Dạ theo yêu cầu tải trọng mới, đồng thời phân tích độ tin cậy của kết cấu cầu để bổ sung các thông tin cho cơ quan quản lý khai thác là hết sức cần thiết

Việc phân tích độ tin cậy của công trình cầu hiện nay chưa được quan tâm đúng mức Một phương pháp nghiên cứu khả năng chịu tải thông qua chỉ số độ tin cậy là lý thuyết độ tin cậy

- Đánh giá khả năng chịu tải của cầu Vĩ Dạ theo yêu cầu của hoạt tải thiết kế

mở rộng, là cơ sở để phục vụ việc thiết kế gia cố, tăng cường (nếu cần thiết)

- Đánh giá độ tin cậy cầu Vĩ Dạ nhằm bổ sung các thông tin cho đơn vị khai thác và quản lý cầu

- Các kết quả nghiên cứu chỉ thực hiện trên kết cấu nhịp (dầm chủ BTCT DƯL) cầu Vỹ Dạ

4 Phương pháp nghiên cứu

Nội dung nghiên cứu của luận văn được giải quyết thông qua các phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa nghiên cứu thực nghiệm và nghiên cứu lý thuyết:

- Nghiên cứu thực nghiệm: tiến hành đo đạc hiện trạng cầu, đo đạc ứng xử kết cấu nhịp cầu Vĩ Dạ dưới tác dụng của hoạt tải thí nghiệm

- Nghiên cứu lý thuyết: áp dụng lý thuyết tính toán độ tin cậy để tính toán chỉ

số độ tin cậy kết cấu nhịp cầu Vĩ Dạ

5 Bố cục đề tài

Ngoài phần mở đầu, kết luận, các danh mục và phụ lục, luận văn được trình bày thành 3 chương:

Chương 1 : Công trình cầu Vĩ Dạ, thành phố Huế, tỉnh Thừa Thiên Huế

Chương 2: Cơ sở lý thuyết đánh giá độ tin cậy của kết cấu công trình

Chương 3: Phân tích khả năng chịu tải và đánh giá độ tin cậy Cầu Vĩ Dạ

CHƯƠNG 1 CÔNG TRÌNH CẦU VĨ DẠ, THÀNH PHỐ HUẾ,

TỈNH THỪA THIÊN HUẾ

1.1 GIỚI THIỆU CHUNG CÔNG TRÌNH CẦU VĨ DẠ

1.1.1 Vị trí xây dựng công trình

Hình 1.1 Bản đồ thể hiện vị trí của cầu Vĩ Dạ

Cầu Vỹ Dạ bắc qua sông Như Ý, thành phố Huế

- Địa điểm xây dựng: Phường Xuân Phú và phường Vĩ Dạ Thành phố Huế, tỉnh Thừa Thiên Huế

Hình 1.2 Vị trí xây dựng cầu Vỹ Dạ, Thừa Thiên Huế

1.1.2 Tải trọng thiết kế và qui mô công trình

- Cầu Vỹ Dạ được thiết kế với qui mô vĩnh cửu bằng BTCT và BTCTDƯL +Tải trọng thiết kế: Đoàn xe H30-XB80; người đi bộ 300 kg/m2

- Cầu được thiết kế theo quy trình thiết kế cầu cống theo trạng thái giới hạn 22TCN 18-79 Đường hai đầu cầu theo tiêu chuẩn đường cấp III, có xét đường đô

-Mặt cắt ngang cầu gồm 6 phiến dầm cách nhau 2,3m

-Lớp phủ mặt cầu bằng BTN được tạo dốc ngang 1,5% để thoát nước;

1.2.3 Kết cấu phần dưới

- Hai mố cầu M1 và M2: dạng mố nặng dạng vùi bằng BTCT đổ tại chỗ Mỗi

mố tựa trên móng cọc đóng gồm 22 cọc BTCT tiết diện 40x40cm Tứ nón, chân khay và taluy đường sau mố kè đá hộc xây vữa Bệ mố, thân mố, xà mũ mố bằng bê tông cốt thép M300

Hình 1.5: Mố cầu Vỹ Dạ

- Kết cấu trụ T1, T2, T3 và T4: dạng kết cấu có kiến trúc chữ “V” bằng BTCT

đổ tại chổ Mỗi trụ cầu tựa trên móng cọc đóng từ (24-26) cọc BTCT tiết diện 40x40cm Bệ trụ, thân trụ, xà mũ trụ bằng BTCT M300

1.3 NHU CẦU TẠO CƠ SỞ DỮ LIỆU ĐỂ QUẢN LÝ CÁC CẦU TRÊN ĐỊA BÀN TỈNH THỪA THIÊN HUẾ HIỆN NAY

Thu thập dữ liệu đường bộ là một công việc mang tính kỹ thuật được tiến hành thường xuyên để kiểm tra mức độ xuống cấp và hư hại của cầu đường bộ nhằm đảm bảo sự an toàn, tính liên tục và êm thuận của giao thông đường bộ

Hạ tầng giao thông đường bộ được sử dụng và tiếp xúc với các tác động tự nhiên và tải trọng xe, vì vậy tình trạng hư hỏng xảy ra theo thời gian do cơ sở hạ tầng lão hóa, tải trọng giao thông và sự xuống cấp do tiếp xúc tự nhiên Đó là thách thức cho tất cả các cấp cơ quan đường bộ từ trung ương tới địa phương để bảo tồn tính năng của hệ thống giao thông hiện có đồng thời mở rộng kinh phí cho mạng lưới giao thông để đối phó với nhu cầu ngày càng tăng Để phù hợp với cách tiếp cận đầu tư cân bằng, phương pháp tiếp cận có hệ thống là cần thiết để tối ưu hóa các nguồn lực Hệ thống quản lý cầu đường bộ có thể giữ một vai trò quan trọng trong việc hỗ trợ những cán bộ ra quyết định đưa ra những quyết định đúng đắn Quản lý cầu đường bộ là một quy trình có hệ thống để bảo trì, nâng cấp và vận hành cầu đường bộ hiệu quả, kết hợp các nguyên tắc kỹ thuật với thực tế kinh doanh và việc phân tích kinh tế, và cung cấp các công cụ để tạo điều kiện tiếp cận linh hoạt và có

tổ chức hơn nhằm đưa ra các quyết định cần thiết để đạt được hiệu quả mong muốn

Toàn tỉnh Thừa Thiên Huế có 476 cầu có chiều dài tổng cộng 18.052m trên các tuyến đường huyện, thị xã, đường tỉnh, đường đô thị, đường vành đai, đường quốc lộ Các cây cầu hầu như được xây dựng từ lâu (có những cây cầu xây dựng trước năm 1975) nên tại thời điểm hiện tại, với hệ thống quản lý chất lượng cũng như hệ thống quản lý khai thác vận hành khác hơn nhiều so với thời điểm xây dựng Mặt khác, những năm gần đây mật độ giao thông trên toàn Đất nước ngày một gia tăng, và việc Nước ta hội nhập Quốc tế nên hệ thống vận tải cũng phải đáp ứng với nhu cầu mới, dẫn đến việc các cây cầu phải gồng mình trước các loại tải trọng mới, lớn hơn các tải trọng tính toán, gây ảnh hưởng rất lớn đến khả năng chịu lực của các kết cấu cầu và trực tiếp ảnh hưởng đến tuổi thọ công trình cầu, tiềm ẩn nhiều nguy

cơ mất an toàn giao thông cho người và phương tiện cũng như khả năng phục vụ công trình cầu khi phương tiện lưu thông qua cầu

Thực trạng công tác tổ chức khai thác cầu hiện nay dẫn đến công tác quản lý lõng lẽo, nguồn vốn duy tu sửa chữa hàng năm hạng hẹp, không đủ dữ liệu để quản

lý và khai thác nên công trình nhanh chóng giảm khả năng chịu lực theo thời gian, dẫn đến các bộ phận của cầu suy giảm khả năng chịu lực nên tuổi thọ của công trình không cao

Đứng trước các thách thức đặt ra rất lớn cho ngành giao thông vận tải là làm sao vẫn giữ nguyên những cây cầu hiện trạng nhưng vẫn đáp ứng được khả năng khai thác hoặc tối thiểu là đáp ứng một loại tải trọng nào đó Hiện nay, các Sở

chuyên ngành chỉ quản lý với các dữ liệu mang tính hiện trạng công trình như: kích thước hình học của các cấu kiện, sơ đồ nhịp, tải trọng thiết kế, loại dầm; mố; trụ,… Với các dữ liệu quản lý rất sơ sài như vậy, việc xác định các khả năng khai thác, khả năng chịu tải đối với các cây cầu là không thể, nếu được hay chăng đi nữa chỉ mang tính chủ quan, không mang tính khoa học và rất là bất cập, dẫn đến những hậu quả đáng tiết, không mong muốn

Vì vậy, nhu cầu tạo cơ sở dữ liệu cho việc quản lý trở nên rất cần thiết và cấp bách Việc tạo cơ sở dữ liệu giúp cải thiện công việc quản lý như: cung cấp đầy đủ

số liệu phục vụ chuẩn đoán sức khỏe công trình cầu, tăng độ chính xác, giảm thời gian và công việc khi thiết kế cải tạo hay nâng cấp, khắc phục được tư duy quản lý trước đây như “hư đâu sửa đó”, giúp cho nhà quản lý lập kế hoạch duy tu, bảo dưỡng

1.4 TÍNH CẤP THIẾT CỦA VIỆC PHÂN TÍCH KHẢ NĂNG CHỊU TẢI THỰC TẾ VÀ ĐÁNH GIÁ ĐỘ TIN CẬY CẦU VĨ DẠ

Hình 1.7 Toàn cảnh cầu Vỹ Dạ

Trong tất cả các đường tuyến đường thuộc thành phố Huế, chỉ có hai tuyến đường quốc lộ đi qua thành phố Tuyến quốc lộ 1 là tuyến cửa ngõ thành phố theo hướng Bắc Nam, tuyến quốc lộ 49A là tuyến hướng từ Đông sang Tây, là tuyến

huyết mạch để giao thông đi lại từ miền biển lên miền núi trong tỉnh, các cầu trên tuyến hầu như đã được xây dựng mới hoặc đã được nâng cấp theo đúng tải trọng HL93, nhưng trên tuyến chỉ có cầu Vĩ Dạ bắc qua sông Như Ý nối đường Bà Triệu

và đường Phạm Văn Đồng, thuộc địa phận thành phố Huế được xây dựng từ năm

1998 cho đến nay vẫn chưa được sửa chữa và nâng cấp Cầu được thiết kế theo quy trình thiết kế cầu cống theo trạng thái giới hạn 22TCN 18-79, với qui mô vĩnh cửu bằng BTCT và BTCTDƯL, gồm 5 nhịp dầm giản đơn chữ T bằng BTCT DUL dài 33m, mặt cắt ngang gồm 6 phiến dầm, với tổng chiều dài cầu L=169,5m Khổ cầu:

B = 2,5 + 8 + 2,5 Tổng bề rộng cầu 14,0m

- Trải qua một thời gian khai thác (từ tháng 5 năm 1998), hiện trạng cầu đang khai thác và sử dụng tốt Tuy nhiên, đứng trước áp lực lưu lượng và tải trọng giao thông ngày càng tăng, và tải trọng tính toán theo quy trình thiết kế đã không còn hiệu lực Nên cần phải có đánh giá lại khả năng phục vụ của cầu Vĩ Dạ theo yêu cầu tải trọng mới, thời kỳ mới, hướng đến khả năng phục vụ tốt cho nhu cầu cần thiết của xã hội

- Căn cứ theo các Quyết đinh :

+ Quyết định 392/QĐ-TTg ngày 10/3/2016 của Thủ tướng Chính phủ về việc phê duyệt danh mục dự án Chương trình phát triển các đô thị loại II (các đô thị xanh) vay vốn ngân hàng phát triển Châu Á

+ Quyết định số 894/QĐ-UBND ngày 29/04/2016 của UBND tỉnh Thừa Thiên Huế về việc phê duyệt dự án đầu tư xây dựng Chương trình phát triển các Đô thị loại II (các đô thị xanh) - tiểu dự án Thừa Thiên Huế

- Theo chương trình phát triển các đô thị loại II (các đô thị xanh)-Tiểu dự án Thừa Thiên Huế, cầu Vỹ Dạ được đầu tư nâng cấp, mở rộng thành 4 làn xe cơ giới và

02 làn xe thô sơ với yêu cầu hoạt tải thiết kế mới là HL93 (theo tiêu chuẩn 22TCN 272:05) Quá trình thiết kế mở rộng do hạn chế ảnh hưởng đến chi phí bồi thưởng giải phóng mặt bằng nên việc mở rộng về cả hai phía thượng hạ lưu cầu cũ Việc tận dụng lại cầu cũ còn tốt và xây mới mở rộng để tăng khả năng thông hành là đều tất yếu Tuy nhiên, cầu cũ được thiết kế theo tiêu chuẩn cũ 22TCN 18-79 cần phải đánh giá lại khả năng chịu lực của cầu cũ

- Một trong những khó khăn, thách thức lớn cho việc thiết kế mở rộng là thiếu thông tin, dữ liệu về khả năng chịu lực của các bộ phân của cầu ở giai đoạn khi đưa cầu vào khai thác sử dụng, ảnh hưởng rất lớn đến tính an toàn và ổn định cho việc thiết kế nâng cấp cầu cũ, Do vậy việc phân tích khả năng chịu tải thực tế

và đánh giá độ tin cậy của cầu Vĩ Dạ là rất cần thiết và cấp bách, vừa đánh giá khả

năng chịu tải thực tế, vừa tạo cơ sở dữ liệu để tiện cho công tác quản lý sau này

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐÁNH GIÁ ĐỘ TIN CẬY

CỦA KẾT CẤU CÔNG TRÌNH

2.1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ ĐỘ TIN CẬY KẾT CẤU CÔNG TRÌNH

2.1.1 Tổng quan về lý thuyết độ tin cậy của kết cấu công trình

Khả năng làm việc an toàn của các sản phẩm kỹ thuật nói chung và của kết cấu công trình xây dựng nói riêng luôn là mục tiêu cơ bản cần phải đáp ứng, là thước đo quan trọng để đánh giá chất lượng công trình và được xét đến trong tất cả các giai đoạn: thiết kế, thi công, quản lý và khai thác

Để đánh giá độ tin cậy cho một bộ phận kết cấu hay hệ kết cấu công trình trước hết phải thực hiện mô hình hóa, nghĩa là chọn sơ đồ tính toán của kết cấu, có thể đơn giản nhưng phải phản ánh đủ các tính chất cơ bản của hệ thực

Trong mô hình hóa, ta thường quan tâm đến ba yếu tố cơ bản là tải trọng, tính chất vật liệu và kích thước hình học Từ trước đến nay người ta thường xem các yếu

tố đó là tiền định nhưng thực tế không đúng như vậy Các tính chất đặc trưng về vật liệu, tải trọng, kích thước hình học của cấu kiện… phụ thuộc vào quá trình làm việc của con người và nhiều nhân tố ảnh hưởng khác, các thông tin thu thập không đầy

đủ, không chính xác và không tuân theo 1 quy luật nào Do vậy, chúng tiềm ẩn tính ngẫu nhiên và không chắc chắn Ngoài ra, các yếu tố như tải trọng gió, tải trọng động đất, sự ăn mòn… là những tác động tự nhiên hoàn toàn mang tính ngẫu nhiên, các thông tin về chúng cũng không thể chính xác và chắc chắn Mặt khác trong quá trình thi công thực tế và khai thác không thể tránh khỏi những sai lệch so với hồ sơ thiết kế

Từ những phân tích mang tính thực tiễn trên, theo tiến trình phát triển của môn

cơ học công trình, các mô hình đánh giá sự an toàn hay hư hỏng của kết cấu hình thành các quan điểm tính toán như sau:

- Tính toán sự an toàn của kết cấu theo ứng suất cho phép

- Tính toán sự an toàn của kết cấu theo trạng thái giới hạn

- Tính toán sự an toàn của kết cấu theo lý thuyết độ tin cậy

Trong 3 quan điểm tính toán trên, tính toán sự an toàn của kết cấu theo lý thuyết độ tin cậy sát với thực tế hơn cả vì nó có xét đến các sai lệch ngẫu nhiên của các tham số tính toán có trong thực tế

2.1.2 Quá trình phát triển mô hình đánh giá độ tin cậy theo phương pháp lý thuyết xác suất và thống kê toán học

Từ những năm đầu thế kỷ 20, việc tính toán đánh giá an toàn cho kết cấu được

mô hình hóa ở dạng ứng suất cho phép và một hệ số an toàn, sau đó tính toán và kiểm tra theo trạng thái giới hạn

Ở các phương pháp thiết kế thông thường, người ta thường đưa ra các hệ số an toàn, hệ số vượt tải, hệ số vật liệu… thực chất đó là giải pháp kỹ thuật để bù đắp lại những sai số ngẫu nhiên mà trong quá trình tính toán chưa xét đến hoặc không biết đến

Để bổ khuyết cho cách tính tiền định trên, khi xét đến sai số ngẫu nhiên của các đại lượng tính toán, phương pháp đánh giá độ tin cậy của kết cấu dựa trên lý thuyết xác suất - thống kê và quá trình ngẫu nhiên ra đời đã mang lại những hiệu quả nhất định

Một số điểm mốc quan trọng trong quá trình phát triển như sau: Những công trình đầu tiên về độ tin cậy trong cơ học kết cấu được công bố bởi Mayer và Khôialốp Thực tế, những ứng dụng của phương pháp thống kê vào cơ học kết cấu

đã được bắt đầu từ 1935 bởi Xtrelexki H.C

Năm 1981 B.V.Gnhedenco, B.V.Beliav, Iu.K.Xoloviev đã trình bày “Những phương pháp toán học trong lý thuyết độ tin cậy” một cách có hệ thống về quan niệm thiết kế theo độ tin cậy

Việc nghiên cứu về độ tin cậy đã được tiếp tục thực hiện sau đó bởi các nhà khoa học thuộc Liên Xô cũ và phương Tây Trong những thập niên cuối thế kỷ 20, các nghiên cứu và ứng dụng độ tin cậy đã tăng lên cả về số lượng và chất lượng, người ta đã mở rộng phạm vi nghiên cứu sự biến thiên ngẫu nhiên của tải trọng và đặc trựng cơ lý của vật liệu theo thời gian, nghĩa là xét đến các quá trình ngẫu nhiên Theo xu hướng phát triển của khoa học kỹ thuật, độ tin cậy dần được đưa vào

hệ thống tiêu chuẩn thiết kế, tài liệu tính toán Các quan niệm tính toán theo ứng suất cho phép hay trạng thái giới hạn đều mang tư tưởng của lý thuyết độ tin cậy Lý thuyết độ tin cậy được sử dụng làm cơ sở của quá trình cải tiến của các tiêu chuẩn thiết kế Hiện nay việc tính toán kết cấu theo chỉ số độ tin cậy đã được đưa vào tiêu chuẩn một số nước như Trung Quốc, các nước châu Âu và tổ chức tiêu chuẩn quốc

tế như Tiêu chuẩn ISO 2394-1998: Nguyên lý chung về độ tin cậy của kết cấu công trình…

Những khái niệm về độ tin cậy công trình

Độ tin cậy là khái niệm liên quan chặt chẽ với tuổi thọ công trình Để làm cơ

sở cho việc tính toán định lượng ĐTC ta có định nghĩa sau:

Định nghĩa 1: Hệ thống và các phần của nó là khái niệm tổng quát hoá để

mô phỏng các công trình XDCB cụ thể do con người thiết kế, xây dựng và khai thác nhằm mục đích xác định phục vụ nhu cầu đời sống vật chất và tinh thần

Hệ thống gồm nhiều phần tử, bộ phận cấu tạo theo qui tắc nhất định và có mối quan hệ tương tác

Định nghĩa 2: Chất lượng của hệ thống là phẩm chất của hệ thống được biểu thị

qua các chỉ tiêu định lượng, bảo đảm cho hệ thống hoạt động bình thường như mục

đích thiết kế ban đầu, trong suốt thời gian khai thác hệ thống

Định nghĩa 3: Các tác động lên hệ thống là các yếu tố gây ảnh hưởng đến chất

lượng hệ thống trong quá trình tạo lập và khai thác Trong nhiều KCCT việc mô phỏng tập các tác động một cách đúng là một vấn đề rất khó Do bản chất ngẫu nhiên nên người ta chủ yếu sử dụng mô hình thống kê kết hợp với LTXS

Đối với các tác động không mang bản chất số học người ta quan tâm đến việc

mô phỏng dựa trên lý thuyết “tập mờ”

Định nghĩa 4: Sự làm việc an toàn và sự cố

An toàn là trạng thái làm việc bình thường ổn định của hệ thống, đảm bảo các chỉ tiêu chất lượng qui định dưới tác động của các nguyên nhân bên trong và bên ngoài hệ thống

Sự cố là trạng thái hoạt động không bình thường ở các mức khác nhau từ nhỏ đến lớn, từ cục bộ dến tổng thể

Định nghĩa 5: Độ tin cậy của HTKT (hệ thống kỹ thuật) là khái niệm được

định lượng hoá (đo theo xác suất) phản ánh khả năng làm việc an toàn của hệ thống dựa trên kết quả xử lý các phản ứng của hệ thống dưới tác động của tập nguyên nhân mang bản chất NN gây ra

Biểu diễn đánh giá ĐTC theo mô hình lý thuyết điều khiển:

Định nghĩa 6: Từ chối là khái niệm “bù” đối với ĐTC

Định nghĩa 7: Tuổi thọ là toàn bộ thời gian khai thác an toàn của hệ thống,

bảo đảm ĐTC đã qui định Tuổi thọ T (trong đó P(T)=P0) là đại lượng ngẫu nhiên được xác định bởi các đặc trưng của nó

Việc xác định độ tin cậy của công trình là vấn đề rất cần thiết, vì nó liên quan đến tuổi thọ của công trình, giúp các nhà quản lý đưa ra các quyết định tiếp tục khai thác, sửa chữa hay phá bỏ Đặc biệt là các công trình ở vùng chịu nhiều rủi ro như gió bão, động đất, lũ lụt, va đập

2.2 MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN ĐỘ TIN CẬY CỦA KẾT CẤU CÔNG TRÌNH

Tính độ tin cậy là tính xác suất an toàn, vì vậy về mặt toán học tính độ tin cậy

là tìm xác suất thỏa mãn đồng thời các điều kiện được xét đến Nhưng nếu thuần túy dựa vào công cụ toán học thì bài toán thường trở nên phức tạp bởi thuật toán để giải

và lượng thông tin đòi hỏi rất lớn

Do đó, khi tính độ tin cậy của công trình, người ta dựa vào các yêu cầu kỹ

Tác động

NN

phản ứng

NN

thuật và lý thuyết cơ học công trình để đơn giản giải quyết vấn đề một cách hợp lý

mà sai số có thể chấp nhận được Đó là phương pháp tuyến tính hóa và phương pháp lặp cho trường hợp phi tuyến, những phần diễn giải toán học phức tạp được đơn giản hóa

2.2.1 Chỉ số độ tin cậy β

Để thuận lợi cho việc tính toán, trong ứng dụng người ta thường dùng chỉ số

độ tin cậy , nó tương ứng với xác suất tin cậy Ps (hay là xác suất từ chối Pf) Hiện nay ở một số nước, trong các tiêu chuẩn hiện hành người ta quy định thiết kế công trình theo chỉ số  [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10]

Bước đầu tiên trong tính toán độ tin cậy hoặc xác suất hư hỏng của 1 kết cấu là chọn tiêu chuẩn an toàn, các tham số tải trọng, kích thước hình học và sức chịu của vật liệu được chọn là các biến cơ bản Xi

Hàm biểu diễn cho mối quan hệ này dưới dạng

Phương trình trạng thái giới hạn đóng một vai trò quan trọng trong việc triển khai các phương pháp phân tích độ tin cậy

Từ phương trình (2.1), ta thấy sự hư hỏng xảy ra khi M<0 và an toàn khi M>0

Vì vậy xác suất hư hỏng Pf được biểu diễn tổng quát:

 





0 (.) g

n 2 1 n 2 1

Trong đó: fx(x1,x2, ,xn) là hàm mật độ xác suất đồng thời cho các biến cơ bản X1, X2, ., Xn và phép tích phân được thực hiện trên miền không an toàn, nghĩa là g(.)<0 Nếu các biến ngẫu nhiên là độc lập thống kê, lúc đó hàm mật

độ xác suất động thời có thể được thay thế bởi tích của các hàm mật độ xác suất của mỗi biến

Việc sử dụng phương trình (2.2) để tính Pf được gọi là phép xấp xỉ phân phối toàn phần và có thể xem là phương trình cơ bản để phân tích độ tin cậy Nói chung, hàm mật độ xác suất đồng thời của các biến ngẫu nhiên thực tế rất khó xác định, cho dù có thể sử dụng đầy đủ thông tin, việc xác định tích phân theo (2.2) vẫn là khó khăn Vì vậy sử dụng các phép gần đúng cho tích phân này nhằm đơn giản hóa tính toán

Từ phương trình (2.1), ta xét trường hợp đơn giản gồm hai biến ngẫu nhiên cơ bản độc lập thống kê và có phân phối chuẩn: S là hiệu ứng tải trọng tác dụng lên kết

cấu (ứng suất, biến dạng, chuyển vị ) có giá trị trung bình là s và độ lệch chuẩn s;

và R là khả năng chịu lực của vật liệu (giới hạn tỉ lệ, giới hạn bền), có giá trị trung bình là R và độ lệch chuẩn là R ; các đặc trƣng thống kê của chúng đƣợc thành lập trên cơ sở số liệu thí nghiệm, quan sát và đo đạc

đƣợc gọi là miền an toàn hay quãng an toàn

Điều kiện an toàn đƣợc xác định đối với kết cấu khi M = g(R,S) > 0 và xảy ra phá hoại khi M = g(R,S) < 0 (hình 7)

Hình 2.1 Các trạng thái của kết cấu

2 R

S R

Xác suất phá hoại được xác định như sau:

)(

Xác suất an toàn:

)()]

(1[1)(1P1

Nếu gọi fS(s) và fR(r) lần lượt là hàm mật độ xác suất của biến ngẫu nhiên S

và R, ta có thể lý giải nguyên nhân gây phá hoại, trên đồ thị thể hiện ở phần giao thoa của hai đường cong như trên (hình 2.2) và ý nghĩa hình học của xác suất phá hoại và xác suất an toàn thể hiện qua hai phần diện tích âm và dương của đường cong đồ thị hàm mật độ khoảng an toàn g(m) (hình 2.3)

Hình 2.2.Mô hình giao thoa thể hiện xác suất không an toàn

Hình 2.3 Ý nghĩa hình học của P S và P f

Theo TCVN 11823-3:2017: Chỉ số độ tin cậy (Reliability Index) - Sự đánh

giá định lượng về mặt an toàn được tính bằng tỷ số của hiệu của sức kháng bình

quân và ứng lực bình quân với độ lệch tiêu chuẩn tổ hợp của sức kháng và ứng lực

2.2.2 Phương pháp tuyến tính hóa xác định chỉ số độ tin cậy 

Phương pháp tuyến tính hóa trong bài toán độ tin cậy là thay thế hàm phá hoại với các biến ngẫu nhiên phi tuyến bởi một hàm tuyến tính bằng cách khai triển Taylor tại "điểm" ứng với giá trị trung bình của các biến ngẫu nhiên và giữ lại các

số hạng bậc nhất Khi thực hiện tuyến tính hóa ta coi độ biến thiên các tham số ngẫu nhiên là bé quanh giá trị trung bình (kỳ vọng) Nhờ tuyến tính hóa việc tính toán độ tin cậy trở nên đơn giản

a Tuyến tính hóa hàm có các biến ngẫu nhiên

Như ta đã biết đặc trưng bằng số rất quan trọng của một đại lượng ngẫu nhiên

là kỳ vọng và phương sai

Trong thực tế tính toán ĐTC thường gặp những hàm số có các biến ngẫu nhiên Cách xác định kỳ vọng và phương sai của hàm ngẫu nhiên theo kỳ vọng và phương sai của các biến ngẫu nhiên như sau

b Hàm một biến ngẫu nhiên

Ta xét đại lượng ngẫu nhiên X có kỳ vọng mx và phương sai Dx

Giả sử giá trị có thể của X nằm trong khoảng (x1, x2) nghĩa là

P( x1< X < x2 ) 1 Xét hàm một biến ngẫu nhiên có dạng

Hàm (X) có dạng phi tuyến đối với X trong đoạn [x1, x2] nhưng khi x1 x2 đủ nhỏ ta thể coi gần đúng Y là hàm tuyến tính đối với X trong đoạn [x1, x2]

Hình 2.4 Mô hình tuyến tính hóa hàm phi tuyến

Để tìm kỳ vọng và phương sai của Y Khai triển Taylor hàm Y tại điểm X=x

và giữ lại hai số hạng đầu tiên ta có

Y = (x) +'(x)(X-x) (2.12)

hay Y = (x) +'(x)X -'(x) x (2.13) Hàm tuyến tính (2.13) có kỳ vọng, phương sai y = (x) (2.14)

Dy = ['(x)2]Dx (2.15)

Và độ lệch quân phương y  '(x)x (2.16)

c Hàm nhiều biến ngẫu nhiên

Xét một hệ có n đại lượng ngẫu nhiên (X1, X2, ,Xn) có kỳ vọng tương ứng là

1, 2, , n và ma trận các hệ số tương quan

nn 2 1

n 22 21

n 12 11

y

K

KK

K

KK

K

KK

( X )

,

, (

n

j

xi n

1

XX

2DXD

j i

n

j

2 i n

2X

j i

1

2 y

d Nâng cao mức chính xác của kết quả tuyến tính hóa

Khi miền biến thiên quanh giá trị trung bình không đủ bé, để nâng cao mức độ chính xác ta cần nâng cao bậc xấp xỉ Qua đó ta có thể đánh giá được độ chính xác

Để đơn giản cách trình bày, trước hết xét hàm một biến ngẫu nhiên, sau khi

khai triển Taylor, giữ lại ba số hạng, có:

2 x x

x x

2

1 ) x ).(

( ' ) ( ) x (

Để cho gọn ta đặt X~  X  x,(2.22) có dạng

2

~ x

~ x

2

1 X ).

( ' ) (

Kỳ vọng và phương sai của Y như sau:

x x x

2

~ x

2

1)(X

M')

2 x x

2 x

2

1D)(

2 2

~ 4

~ 2

.MXXMX

~

~ 2

Biểu thức (2.25) có thể được viết ở dạng

   '' ( )  m   X D ' ( ) '' ( ) m   X

4

1 D ) ( '

Dy   x 2 x   x 2 4  2x   x  x 3 (2.28) Công thức (2.28) cho ta giá trị của phương sai chính xác hơn so với giá trị phương sai trong trường hợp tuyến tính hóa

Trong thực tế, ta thường gặp các đại lượng ngẫu nhiên chuẩn hay gần như chuẩn Trong trường hợp chuẩn ta có:

m3[X] = 0 ; m4[X] = 3x4 = 3Dx2 (2.29)

x

2 x x

2 x

2

1 D ) ( '

Hoàn toàn tượng tự đối với hàm số có một số biến ngẫu nhiên:

Y =  (Xi, Xj, ,Xn) Khai triển Talor hàm (2.30) tại điểm (1, 2, , n) và lấy đến các số hạng bậc hai

~ j

~ i j

i

2

2 i i n

1

2 i

i n

1

n 2 1

X X X X

) X

( X 2

1 ) X

( X )

, , ,

(

Y

j i

i i

i i j

2 x

n

1

i i2

2 n

2 1

X X

D X 2

1 ) , , , (

j i i

trong đó Kij là mômen tương quan của Xi, , Xj

Trường hợp khi các biến Xi, Xj, ,Xn không tương quan, kỳ vọng My có dạng

i i

x n

1 i

2 i

2 n

2 1

X 2

1 ) , , ,

2 n

1

i i

x x j

i i j

2 2

x 4

n

1 i

2 2 i

2 x

D D X

X D

X m X

4

1 D X

D

j i

ij i j i

i i i

i i

i

x x j

i i j

2 2

x n

1 i

2 2 i

2 x

D X 2

1 D X

e Sơ đồ khối biểu diễn các bước thực hiện tính toán độ tin cậy

Hình 2.5 Sơ đồ phương pháp tính độ tin cậy theo lý thuyết SXTK

Ảnh hưởng của các biến ngẫu nhiên

Tính toán

độ tin cậy

Hàm mật độ hiệu ứng tải trọng f Q (s)

Vì vậy trong luận văn này, học viên áp dụng lý thuyết độ tin cậy để đánh giá

độ tin cậy của các kết cấu cầu Vĩ Dạ trên cơ sở phân tích chỉ số  có xét đến mức độ biến động của tải trọng và sức kháng uốn của kết cấu dầm cầu

CHƯƠNG 3 PHÂN TÍCH KHẢ NĂNG CHỊU TẢI VÀ ĐÁNH GIÁ ĐỘ TIN CẬY

CẦU VĨ DẠ

Trong hai chương trước đã giới thiệu chung về công trình cầu Vỹ Dạ và cơ sở

lý thuyết phân tích độ tin cậy kết cấu công trình

Nhiệm vụ tính toán trong chương này gồm 2 phần:

+ Nội dung 1: Phân tích khả năng chịu tải thực tế cầu Vĩ Dạ

+ Nội dung 2: Đánh giá độ tin cậy kết cấu nhịp cầu Vĩ Dạ

3.1 PHÂN TÍCH KHẢ NĂNG CHỊU TẢI CẦU VĨ DẠ

*Các tiêu chuẩn kỹ thuật, qui trình kiểm định thử tải

-Tiêu chuẩn thiết kế cầu: 22TCN 272-05; 22TCN 18-79;

- Quy trình kiểm định cầu trên đường ô tô 22TCN 243-98

- Quy trình thử nghiệm cầu 22TCN 170-87

- Tiêu chuẩn tham khảo: AASHTO, PCI, ASTM

- TCXD 239:2006 - Bê tông nặng - Chỉ dẫn đánh giá cường độ bê tông trên kết cấu công trình

- TCXDVN 9334:2012 - Bê tông nặng - Phương pháp xác định cường độ nén bằng súng bật nẩy

3.1.1 Khảo sát hiện trạng cầu Vĩ Dạ

a Phương pháp đo đạc kiểm tra đánh giá hiện trạng tổng thể của cầu

Trước khi tiến hành kiểm tra đo đạc tổng thể và kiểm định thử tải, đơn vị tư vấn đã thu thập các tài liệu như hồ sơ thiết kế, hồ sơ thi công công trình cầu và các tài liệu có liên quan Nghiên cứu hồ sơ thiết kế bản vẽ thi công và các tài liệu điều chỉnh thiết kế trong quá trình thi công Phân tích dự báo yêu cầu đảm bảo giao thông trên bộ và dưới nước, lựa chọn biện pháp đảm bảo giao thông trên bộ và dưới nước phù hợp

Tiến hành kiểm tra đo đạc tổng thể cầu

- Đo trắc dọc và trắc ngang cầu ở trạng thái không có hoạt tải Theo phương dọc cầu khoảng cách giữa các điểm đo 10m/điểm Theo phương ngang cầu đo tại ba

vị trí: tại vạch sơn ngăn cách giữa lề bộ hành thượng lưu và phần xe chạy; tại tim cầu và tại vạch sơn ngăn cách giữa lề bộ hành hạ lưu và phần xe chạy Khối lượng

đo cụ thể như sau: đối với cầu cũ đo 5 nhịp x 33mx 3 vị trí đo theo phương ngang =

495 m

- Khảo sát, thị sát tổng thể công trình, xác định các yếu tố bất thường nếu có

- Khảo sát đánh giá mặt cầu, khe co giãn, gối cầu

Bảng 3.1 Tổng hợp khối lượng kiểm tra - đo đạc tổng thể cầu

TT Hạng mục kiểm tra chi tiết Đơn vị

tính

Khối lượng Ghi chú

1 Đo vẽ trắc dọc cầu m/điểm 495/49 10m/ 1 điểm đo

b Thiết bị phục vụ công tác khảo sát hiện trạng:

- Thước thép

- Kính soi vết nứt và thiết bị đo độ mở rộng vết nứt (Kính lúp có vạch chia 0

02 mm)

- Súng bật nẩy Schmid xác định cường độ bê tông

- Máy toàn đạc điện tử + mia

- Bộ đàm nội bộ tầm ngắn

- Camera + máy ảnh

- Ca nô

- Dàn giáo

c Kết quả đo đạc kiểm tra đánh giá hiện trạng tổng thể của cầu:

Sau khi nghiên cứu hồ sơ thiết kế, đơn vị tư vấn đã tiến hành công tác quan trắc, thị sát và kiểm tra tổng thể kết cấu cầu Đo đạc kiểm tra kích thước tổng thể, kích thước của các bộ phận kết cấu chính và đo cao độ mặt cầu Kết quả kiểm tra kích thước tổng thể, kích thước của các bộ phận kết cấu chính và cao độ mặt cầu phù hợp với hồ sơ thiết kế bản vẽ thiết kế thi công Các thông số về kích thước của các kết cấu chính trong thực tế so với thiết kế cơ bản đảm bảo theo Tiêu chuẩn thi công cầu đường bộ - AASHTO LRFD, TCCS 02-2010/TCĐBVN

- Sơ đồ kết cấu nhịp 5x33m Tổng chiều dài cầu L=169,5m

- Khổ cầu thiết kế: B = 2,5 + 8,0 + 2,5 Độ dốc ngang cầu thiết kế i = 1,5% Cầu nằm trên đường cong đứng bán kính R=2482m

Hình 3.2 Cát lấp đầy khe co giãn (khe dạng hở)

- Gối cầu dạng gối cao su, sau thời gian khai thác lâu dài gối cầu có dấu hiệu

bị lệch và trượt trên đáy dầm chứng tỏ cao su gối cầu bị lão hóa và không đảm bảo tính đàn hồi

Hình 3.3 Gối cao su bị lệch, trượt tại đáy dầm

- Hệ thống thoát nước trên cầu bị hư hỏng, nước trên mặt cầu theo độ dốc dọc tập trung về khe co giản và chảy tự do xuống xà mũ trụ cầu và ảnh hưởng đến hệ thống gối cầu

Gối cầu bị lệch, trượt

Hình 3.4 Nước chảy tự do xuống xà mũ trụ cầu

3.1.2 Đo đạc cường độ bê tông các kết cấu chính cầu Vĩ Dạ

a Phương pháp đo đạc cường độ bê tông các kết cấu chính của cầu

- Kiểm tra cường độ của bê tông dầm cầu, trụ cầu bằng phương pháp sử dụng súng bật nẩy:

+Khối lượng kiểm tra cường độ bê tông đối với cầu cũ (giai đoạn 1):

Bê tông trụ cầu: 4 trụ cầu x 2 vị trí = 8 vị trí

Bê tông mố cầu: 2 mố cầu x 2 vị trí = 4 vị trí

2 nhịp x 6 dầm x 1 vị trí = 12 vị trí

Bảng 3.2 Tổng hợp khối lượng kiểm tra đo đạc cường độ bê tông

TT Hạng mục kiểm tra chi tiết Đơn vị

tính

Khối lượng Ghi chú

1 Kiểm tra cường độ bê tông mố

trụ cầu bằng súng bật nẩy Vị trí 12

2 Kiểm tra cường độ bê tông dầm

cầu bằng súng bật nẩy Vị trí 12

Nước chảy tự do xuống xà mũ trụ

b Thiết bị phục vụ công tác đo đạc cường độ bê tông cầu Vĩ Dạ:

- Thước thép

- Súng bật nẩy Schmid xác định cường độ bê tông

- Máy toàn đạc điện tử + mia

- Bộ đàm nội bộ tầm ngắn

- Camera + máy ảnh

- Ca nô

- Dàn giáo

c Kết quả đo đạc cường độ bê tông các kết cấu chính cầu Vĩ Dạ:

- Kiểm tra cường độ của bê tông trụ cầu, mố cầu bằng phương pháp sử dụng súng bật nẩy:

Hình 3.5 Kiểm tra cường độ của bê tông mố và trụ cầu

Hình 3.6 Kiểm tra cường độ của bê tông dầm chủ

+Bê tông trụ cầu: 4 trụ cầu x 2 vị trí = 8 vị trí

+Bê tông mố cấu: 2 mố cầu x 2 vị trí = 4 vị trí

- Kiểm tra cường độ của bê tông dầm chủ bằng phương pháp sử dụng súng bật nẩy:

Cường độ

bê tông

TB (Mpa)

Giá trị Thiết

kế (Mpa)

Ghi chú

1

Nhịp 1

Dầm 1 45.6 40 Trung bình của 4 vùng đo

7

Nhịp 5

Dầm 1 43.9 40 Trung bình của 4 vùng đo

13

Mố M1 M1-1 30.1 30 Trung bình của 4 vùng đo

15

Mố M2 M2-1 32.0 30 Trung bình của 4 vùng đo

17

Trụ T1 T1-1 33.8 30 Trung bình của 4 vùng đo

19

Trụ T2 T2-1 34.9 30 Trung bình của 4 vùng đo

21

Trụ T3 T3-1 34.0 30 Trung bình của 4 vùng đo

23

Trụ T4 T2-1 34.2 30 Trung bình của 4 vùng đo

xe xếp tĩnh trên cầu

Kết quả thí nghiệm tĩnh sẽ được đối chiếu với kết quả tính toán tương ứng theo lý thuyết kết hợp với kết quả đo dao động để phân tích đánh giá năng lực chịu tải thực tế của cầu

a Các phương án thử tải trọng tĩnh

Phương án thử tải trọng tĩnh được thực hiện như sau:

Đối với cầu cũ: Việc thử tải tĩnh cần được thực hiện trên 02 nhịp

Qua khảo sát thực tế hiện trạng, tiến hành thử tải tĩnh đối với nhịp 1 và nhịp 5

Tiến hành đo đạc lấy kết quả đo thực tế kết hợp với kết quả phân tích bằng số dựa trên các tham số của cầu ở giai đoạn hoàn thành để phân tích dự báo khả năng làm việc của hệ

Quá trình thử, tải trọng thử được điều vào ví trí theo thứ tự từng xe một và luôn luôn theo dõi diễn biến của các tham số đo trực tiếp, không phát hiện thấy hiệu ứng bất thường nên đã điều tải theo phương án được phê duyệt

Quá trình thử tải, cầu được cấm lưu thông hoàn toàn để lấy dữ liệu đo nên kết quả đảm bảo độ chính xác cao

b Đo ứng suất và chuyển vị dầm chủ của nhịp 1 và 5

*Phương pháp đo, bố trí điểm đo trên mặt cắt

Ứng suất được xác định thông qua kết quả đo biến dạng của thiết bị đo Mỗi mặt cắt ngang bố trí 6 điểm đo, được bố trí như hình 3.7

Chuyển vị được đo bằng võng kế Mỗi mặt cắt ngang bố trí 6 điểm đo, được

bố trí như hình 3.7

Hình 3.7 Vị trí đo ứng suất tĩnh và chuyển vị (võng) dầm chủ

*Sơ đồ xếp hoạt tải tĩnh:

Khi đo ứng suất trên mặt cắt phải xếp đoàn hoạt tải căn cứ vào đường ảnh hưởng để tạo ra nội lực trong khoảng từ (80-90)% so với nội lực do hoạt tải thiết kế tiêu chuẩn không xét xung kích tại mặt cắt cần đo

Mỗi sơ đồ tải dọc nêu trên lại được đặt theo 3 vị trí khác nhau theo phương ngang cầu theo 3 thế tải như sau:

SĐ1: 2 làn xe đặt lệch hạ lưu - gây ra hiệu ứng uốn xoắn lớn nhất cho mặt cắt cần đo (đo lặp 3 lần)

SĐ2: 2 làn xe đặt lệch thượng lưu - gây ra hiệu ứng uốn xoắn lớn nhất cho mặt cắt cần đo (đo lặp 3 lần)

SĐ3: 2 làn xe đặt đúng tâm - gây ra hiệu ứng uốn lớn nhất cho mặt cắt cần

đo (đo lặp 3 lần)

c Tổng hợp khối lượng thử tải tĩnh

Bảng 3.4 Tổng hợp khối lượng thử tải tĩnh cầu

TT Hạng mục thử tải tĩnh Số lượng

I Dầm chủ

1 Đo ứng suất dầm chủ 2x6 Vị trí đo tại ½ nhịp (3 thế tải)

2 Đo độ võng dầm chủ 2x6 Vị trí đo tại ½ nhịp (3 thế tải)

3.1.3.2 Đo đạc phản ứng kết cấu nhịp cầu Vĩ Dạ dưới tác dụng của tải trọng động

Việc thử nghiệm cầu dưới tác dụng của hoạt tải di động được quy định trong

“Quy trình kiểm định cầu trên đường ô tô 22 TCN 243-98” với mục đích xác định các hiệu ứng động lực như ứng suất động lực, độ võng động, tần số dao động của các bộ phận kết cấu nhịp, hệ số xung kích do tác động của hoạt tải xe di động trên cầu Kết quả thử nghiệm được so sánh với kết quả tính toán lý thuyết để đánh giá năng lực chịu tải thực tế của cầu

a Phương pháp đo đạc phản ứng kết cấu nhịp của cầu Vĩ Dạ

Đo gia tốc dao động theo phương đứng và ngang để xác định tần số dao động

riêng của dầm chủ Đo chuyển vị (hoặc biến dạng động) nhằm xác định hệ số xung kích thực tế của cầu Mỗi mặt cắt ngang của cầu bố trí 01 điểm đo chuyển vị động (hoặc biến dạng động) như Hình 3.8

*Sơ đồ xếp hoạt tải động:

SĐ1: 1 xe chạy đúng tâm - gây hiệu ứng uốn động lực lớn nhất, vận tốc 20,30,40 Km/h

b Khối lượng đo đạc phản ứng kết cấu nhịp dưới tác dụng tải trọng động:

Bảng 3.5 Tổng hợp khối lượng thử tải động

TT Hạng mục thử tải động Số lượng

1 Đo chuyển vị (hoặc biến dạng

Đo 2 nhịp (nhip1 và 5)

2 Đo gia tốc kết cấu nhịp cầu 2 vị trí Đo 2 nhịp

(nhip1 và 5)

c.Tải trọng thử dùng để đo đạc phản ứng kết cấu nhịp:

Do việc tập hợp các tải trọng để đủ số lượng xe thử tải theo đúng đoàn tải trọng thiết kế HL93 trong nhiều ngày thử tải là rất khó khăn, trong khi đó loại xe 3 trục rất phổ biến trên thị trường có thể huy động để thử tải một cách thuận lợi Kiến nghị tải trọng thử là loại xe Kamaz (hoặc các xe tương đương) chất tải bằng đá dăm hoặc đất cát đảm bảo trọng tải mỗi xe ≈30T, để khi xếp xe trên cầu đạt hiệu ứng khoảng (80-90)% so với tải trọng thiết kế mà không gây phá hoại cục bộ trong quá trình thử tải

Dùng 4 xe tải trọng 30T làm tải trọng thử tĩnh cầu cũ trong 2 ngày; 4 xe 30T làm tải trọng thử tĩnh cầu mới trong 1 ngày

- Tải trọng trục xe 30T: Trục 1:6T; Trục 2: 12T; Trục 3: 12T