Đánh giá khả năng chịu lực và đề xuất phương án cải tạo cầu hội yên thành phố đà nẵng

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 H

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGÔ NHẬT ANH

ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG HỊU LỰC VÀ

ĐỀ XUẤT PHƯƠNG ÁN CẢI TẠO CẦU HỘI YÊN THÀNH PHỐ ĐÀ NẴNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ

KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG

Đà Nẵng, Năm 2019

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 chắnkhông tránh khỏi những thiếu sót, tồn tại Học vi n rất mong nhận được những ý kiếnđóng góp từ phía các thầy cô và bạn bè đồng nghiệp để luận văn được hoàn thiện hơn

Trân trọng cảm ơn!

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

Học viên : NGÔ NHẬT ANH.

Chuyên ngành : Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông.

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 ofbridge assessment to identify causes of damage and performance, the actual bearing load ofthe 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 thesebridges 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 withoutendangering its structure members In this thesis, Hoi Yen bridge was selected to carry outtesting 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 concretebeam bridge solutions to strengthen bridge performance Eventually, to ensure bridge safetyand best service for the carriage of products, the research suggested the appropriate weightlimit of bridges before and after the time when adding strength

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

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 T ÌNH 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

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 CƯỜNG44 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)

Bảng 3.15.Bảng 3.16.Bảng 3.17.Bảng 3.18.Bảng 3.19.Bảng 3.20.Bảng 3.21.

Số hiệu

Hình 3.22 Biển cắm tải trọng đề xuất sau gia cường

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 nângcấp Nguyên nhân dẫn đến những hỏng hóc và công trình xuống cấp có thể do nguyênnhân 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 cácquy 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 đúngmức

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

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

+ Do nhu cầu vận tải và trọng tải của c c phương tiện giao thông tăng cao, dẫnđến 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 đảmbảo được nhu cầu cấp thiết về vận chuyển h ng hóa cũng như tồn tại nguy cơ tiềm ẩngây 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 nănglực chịu tải của cầu Hội Yên, thuộc huyện Hòa Vang, TP Đ Nẵng là rất cần thiết vàcấp 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 năngchịu 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 phápgia 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

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 củavật 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

Kết luận và Kiến nghị

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:

- 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 màngphun

bè trÝ chung cÇu

Hình 1.1 Bố trí chung cầu

c¾t ngang t¹i trô

Hình 1.2 Mặt cắt ngang cầu tại trụ

Hình 1.5 Khe co giãn bị hư

- 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 giacường bằng vật liệu composite Các cốt sợi này giúp cho hệ thống gia cường về mặtcường độ v độ cứng

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

Bảng 1.1 Khối lượng riêng của các loại vật liệu composite (g/cm3) [11]

Thép

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]

Theo chiều dọc, DLTheo chiều ngang, DT

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

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 vậtliệu polymer bị giảm đ ng ể do sự thay đổi cấu trúc vật liệu của nó Giá trị của Tg phụthuộc vào dạng chất dính kết nhưng thông thường nằm trong khoảng từ 60°C tới82°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 liệucốt 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 họccủa vật liệu composite bị giảm nhiều và mất khả năng chuyển đổi ứng suất từ bê tôngsang 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 nhiềutham số Vì các sợi là thành phần chịu tải chính, nên kiểu cốt sợi, chiều sắp xếp của cốtsợi, lượng cốt sợi v phương ph p cũng như điều kiện chế tạo cốt sợi ảnh hưởng tớiđặc 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 thínghiệm với composite cốt sợi thủy tinh h m lượng 55-60% trên nền nhựa polyestercho thấy mô đun đ n hồi có giá trị trong khoảng từ 34000 Mpa đến 48000 MPa Môđun đ n hồi nén xấp xỉ 80% mô đun đ n hồi éo đối với vật liệu GFRP, 85% đối vớiCFRP 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 pháhủy Thời gian n y được gọi là tuổi thọ của vật liệu Dạng phá hoại n y được gọi là pháhoại 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 trungbình và cố sợi thủy tinh có nguy cơ cao nhất Các nghiên cứu về phá hoại từ biến được

thực hiện với cốt sợi thủy tinh, aramid và các bon với nhiều mức tải trọng khác nhau ởnhiệt độ phòng cho thấy có quan hệ tuyến tính giữa cường độ phá hoại do từ biến vàlogarithm của thời gian Tỷ số ứng suất tại thời điểm phá hoại sau 50 năm so với ứngsuất tới hạn khởi điểm của vật liệu GFRP, AFRP và CFRP lần lượt khoảng 0,3, 0,5 và0,9.

b) Phá hoại do mỏi

Các thí nghiệm cho thấy vật liệu composite có độ bền tương tự như c c vật liệukim loại[11] Để đảm bảo tuổi thọ mỏi trong hai th c, bi n độ ứng suất trong vật liệudưới tác dụng của tải trọng thường được khống chế Nhờ vật liệu có cường độ chịukéo cao, nên những yêu cầu về độ bền mỏi dễ d ng được đảm bảo

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 đếntrục 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 tảicủa 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 QCVN41:2016/BGTVT của Bộ GTVT để các loại xe có số lượng trục khác nhau, có tải trọngkhác nhau có thể hợp pháp qua cầu mà không gây nguy hiểm cho kết cấu Từ đó, đềxuất các giải pháp nâng cấp sửa chữa

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:

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 tảicho phép lớn nhất có thể qua cầu, khi khai thác không giới hạn ở cấp độ OR sẽ làm

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

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

AL 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 giấyphép 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 cầnphải chỉ rõ c c điều kiện giao thông lưu thông trên cầu (cấm các xe khác qua cầu, hạnchế tốc độ, ) phù hợp với mô hình kiểm to n để đảm bảo an toàn và tuổi thọ cho côngtrình 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:

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:

Rn : Sức kháng danh định của cấu kiện

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

Hệ số điều kiện Φc (Condition factor):

(2.3)(2.4)

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 Φ 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

đối lớn (độ không đồng nhất là tăng lên) và hệ số sức kháng Φ đối với thiết kế mớikhông 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 chắcchắn trong sức kháng của các cấu kiện bị hư hỏng và sự tăng mức độ hư hỏng trongtương lai của cấu kiện đó trong giai đoạn giữa 2 đợt kiểm tra Hệ số điều kiện Φc thayđổi từ 0,85 đối với cấu kiện trong tình trạng xấu đến 1,0 đối với cấu kiện tốt hoặc thoảmãn

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 chonhững 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 xácđịnh 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 Φs(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 hoànchỉnh Những cầu có tính dư thấp sẽ có khả năng của cấu kiện giảm do đó chúng cómức 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 Φs 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 hơnđối 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 = γDCDC + γDW DW ± γPP

Trong đó: DC: Hiệu ứng của tĩnh tải bản thân;

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;

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

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

Bảng 2.1 Hệ số tải trọng của hoạt tải theo TTGH

Loại cầu

Thép

BTCT

BTCTDUL

Hệ số tải trọng của từng loại hoạt tải theo quy định của AASHTO LRFD tuỳthuộc vào trạng thái giới hạn tính to n v lưu thông giao thông qua cầu (riêng hệ số tảitrọng của tĩnh tải được quy định giống AASHTO LRFD) Theo đó, hệ số tải trọng củahoạt tải được quy định phụ thuộc vào nhiều yếu tố như l trạng thái giới hạn, lưulượng xe chạy, các loại cầu khác nhau, tính chất tác dụng của tải trọng, v được thểhiện qua Bảng 2.2

Bảng 2.2 Hệ số tải trọng của tải trọng hợp pháp

Lưu lượng xe tải theo một chiều

(ADTT)

Không có số liệu

ADTT < 100

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,

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 thôngVận tải về Quy định về tổ chức giao thông v đặt biển báo hiệu hạn chế trọng lượng xequa cầu đường bộ, cần thiết phải c định hệ số phân bố ngang thực tế của các dầm chủứng 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

Khi đo đạc đƣợc giá trị độ võng tại tiết diện giữa nhịp, hệ số phân bố ngang của

từng dầm chủ thực tế đƣợc c định và trình bày trên Bảng 2.4, Bảng 2.5 Giá trị hệ số

phân bố ngang lớn nhất sẽ đƣợc 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

1

Lệch tâm phải2

3

Đúng t m4

5

Lệch tâm trái6

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

1

Lệch tâm phải2

3

Đúng t m4

5

Lệch tâm trái6

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

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

Bảng 2.6 Các thông số mặt cắt ngang cầu

3 Modun đ n hồi

2.2.3.2 Xác đị.nh khả năng chịu uốn kết cấu

nhịp a) Sức kháng uốn

Dựa vào Tiêu chuẩn 22TCN 272-05, sức kháng uốn tính toán của tiết diện giữa

nhịp đƣợc tính toán và thể hiện trên Bảng 2.10

Bảng 2.10 Xác định sức kháng uốn của tiết diện dầm chủ tại giữa nhịp

TT

Theo Tiêu chuẩn 22TCN 272-05, sức kháng cắt tính toán của tiết diện tại gối

đƣợc tính toán và thể hiện trên Bảng 2.11

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

cao chịu cắt

chéo truyền lực kéo

Dựa vào công thức (2.1) và kết quả tính toán các hiệu ứng tải trọng do tĩnh tải

bản thân, lớp phủ mặt cầu, hoạt tải HL93 v c c e đơn chiếc [3] [3-S2] [3-3], hệ số đ nh

gi RF đối với mô men và lực cắt đƣợc c định và trình bày trên Bảng 2.12 và 2.13

Bảng 2.12.Xác định hệ số đánh giá RF theo mô men

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 phảicắm 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

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 vàBTCT dự ứng lực phổ biến hiện nay là giải ph p tăng cường vật liệu, vật liệu đượctăng 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 năngchịu 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 ápdụng khi cần tăng cường tải trọng không nhiều,tính thẩm mỹ hông đẹp tạo cảm giáccông 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 ứnglực và cầu thép vì có những ưu điểm như hiệu quả gia cường lớn và cải thiện được độvõng 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 rấtcao và trọng lượng nhỏ; khả năng chống mài mòn cao, có sức đề kháng tốt với cácchất xâm thực; c ch điện, chịu nhiệt tốt; chịu mỏi cao; thi công đơn giản ít tốn nhâncông, 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

(2) Giải pháp thanh căng hoặc tăng đơ: Về nguyên lý làm việc, giải pháp n

ytương tự như giải ph p căng c p DƯL ngo i Nó có ưu điểm lắp đặt, tháo dỡ dễ dàng,vật liệu dễ tìm kiếm, giá thành thấp và thời gian thi công ngắn; tuy nhiên, tính

thẩm mỹ hông cao v đòi hỏi duy tu bảo dưỡng trong suốt quá trình sử dụng

(3) Giải pháp trụ tạm: Giải pháp nàydễ thi công và giảm đ ng ể hiệu ứng do

hoạt tải tác dụng Tuy nhiên, giải pháp này làm giảm khẩu độ tho t nước, giảm nhịpthông thuyền v đặc biệt hó hăn hi cầu có lưu vực sâu, mực nước lớn hay địa chất yếu.Một điều cần nói thêm là hiện nay các cầu dầm thép chủ yếu là cầu dầm thép liên hợpnhịp giản đơn n n việc áp dụng trụ tạm có thể làm xuất hiện mô men âm không mongmuốn trong bản mặt cầu

(4) Giải pháp bổ sung kết cấu: Tùy theo loại kết cấu áp dụng tăng cường,

người ta có thể thêm dầm chủ hoặc c c thanh trong d n thép Đối với dầm thép liên hợpbản BTCT, có thể tăng cường khả năng chịu lực của dầm bằng cách thêm các bản

t p v o bi n dưới dầm thép; trong hi đó đối với dầm thép không liên hợp có thể tăng cường bằng cách tạo liên kết giữa dầm thép và bản BT T

(5) Giải pháp căng cáp DƯL ngoài: Tương tự cầu BTCT, cầu thép có thể áp

dụng giải ph p n y vì tăng cường hiệu quả năng lực chịu tải v được sử dụng rộng rãinhờ công tác thi công đơn giản, nhanh chóng Tuy nhiên, tính thẩm mỹ không cao, yêucầu duy tu bảo dưỡng thường xuyên dẫn đến giải ph p căng c p DƯL ngo i ít được ápdụng phổ biến ở nước ta

3.1.3 Lựa chọn giải pháp gia cường cho một số cầu Hội Yên

Có thể thấy rằng mỗi giải ph p gia cường cầu cũ có những ưu nhược điểm ri

ng, v được áp dụng phụ thuộc v o điều kiện cụ thể của công trình

Đối với việc nâng cấp tải trọng kết cấu nhịp cầu Hội Yên (dầm BTCT), đề xuấtgiải ph p gia cường bằng d n FRP vì hông l m tăng đ ng ể tĩnh tải, tăng cường sứckháng hiệu quả, hông tăng chiều cao kiến trúc của cầu v được sử dụng rộng rãi ở nước

ta trong gia cường các cầu cũ

3.2 THIẾT KẾ GIA CƯỜNG KẾT CẤU NHỊP CẦU HỘI YÊN

3.2.1.Cơ sở tính to n gia cường bằng vật liệu FRP đối với dầm BTCT [3], [4], [6], [13].

Đối với dầm BTCT được tăng cường bằng tấm sợi FRP, có các hình thức phá hoại do uốn như sau:

(1) Hình thức phá hoại do bêtông bị nén vỡ (εc = εcu = 0.003 , εfrpl < εfrpu ) ;

(2) Hình thức phá hoại do đứt tấm sợi FRP (εfrpl = εfrpu ,ε c < εcu = 0.003) ;

(3) Hình thức phá hoại đồng thời (ε c = εcu = 0.003, εfrpl = εfrpu )