Tóm tắt Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: Đánh giá năng lực chịu tải và đề xuất giải pháp sửa chữa cầu phú lệ - km2+5, Thị xã Quảng Trị

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài là xác định năng lực chịu tải của cầu Phú Lệ. Đề xuất cắm biển tải trọng khai thác. Đề xuất giải pháp cải tạo, sửa chữa.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN ĐỨC QUANG

ĐÁNH GIÁ NĂNG LỰC CHỊU TẢI VÀ

ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP SỬA CHỮA CẦU PHÚ LỆ -

Công trình được hoàn thành tại

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học: TS HOÀNG TRỌNG LÂM

Phản biện 1: PGS.TS NGUYỄN LAN

Phản biện 2: TS TRẦN VĂN ĐỨC

Luận văn đã được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp

Thạc sĩ Kỹ thuật Xây dựng Công trình Giao thông họp tại Trường

Đại học Bách Khoa vào ngày 21 tháng 12 năm 2019

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Trung tâm Thông tin-Học liệu, ĐHĐN tại trường ĐHBK

- Thư viện Khoa Kỹ thuật Xây dựng Công trình Giao thông – ĐHBK

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Các cây cầu trên tuyến đường Phú Lệ được triển khai thi công

và bàn giao đưa vào sử dụng từ những năm 1980 Tuy nhiên từ trước đến nay do khó khăn về nguồn kinh phí nên không được quan tâm sửa chữa, khắc phục hư hỏng Điều này dẫn đến tiềm ẩn nguy cơ gây mất

an toàn giao thông cao

Hiện tại những cây cầu trên không có tài liệu thiết kế hoặc hồ sơ hoàn công nào cả Tuy lưu lượng tham gia trên tuyến thấp nhưng tải trọng khai thác xe tải là rất lớn vì có mỏ đất khai thác tại thôn Phước Môn, xã Hải Lệ và mỏ cát sạn tại thôn Như Lệ, xã Hải Lệ Do vậy việc xác định sức chịu tải thực tế để quyết định tải trọng khai thác và đề xuất giải pháp cải tạo, sửa chữa là rất cần thiết

2 Mục tiêu nghiên cứu

- Xác định năng lực chịu tải của cầu Phú Lệ

- Đề xuất cắm biển tải trọng khai thác

- Đề xuất giải pháp cải tạo, sửa chữa

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu là Công trình cầu Phú Lệ

- Phạm vi nghiên cứu:

+ Xác định sức chịu tải công trình bằng tính toán lý thuyết và từ

số liệu đo đạc thực nghiệm

+ Đề xuất cắm biển tải trọng khai thác và giải pháp cải tạo sửa chữa

4 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN HỆ THỐNG GIAO THÔNG KHU VỰC THỊ XÃ

QUẢNG TRỊ 1.1 Sơ lược về tình hình kinh tế - xã hội xã Hải Lệ, thị xã Quảng Trị và xã Hải Phú, huyện Hải Lăng

Xã Hải Lệ nằm ở phía Tây Nam của thị xã Quảng Trị có diện tích tự nhiên 64,75 km2 và xã Hải Phú nằm ở phía Tây Bắc của huyện Hải Lăng, tiếp giáp với thị xã Quảng Trị có diện tích tự nhiên 17,45

km2 Thị xã Quảng Trị thuộc vùng đồng bằng nằm ở phía Nam của tỉnh Quảng Trị có diện tích tự nhiên 72,92 km2

Thị xã Quảng Trị có Quốc lộ 1A và đường sắt Bắc – Nam đi qua,

có đường thủy nội địa nối chiến khu Ba Lòng với cảng Đông Hà và cảng Cửa Việt; Là đô thị nằm trên tuyến hành lang kinh tế Đông – Tây

và có các đầu mối giao thông quan trọng là Quốc lộ 1, Quốc lộ 49C, Tỉnh lộ 580 nối với 2 huyện Triệu Phong, Hải Lăng và các địa phương trong và ngoài tỉnh

1.2 Hiện trạng mạng lưới giao thông khu vực thị xã (trong

đó nhấn mạnh khu vực xã Hải Lệ, thị xã Quảng Trị và xã Hải Phú, huyện Hải Lăng)

Hiện nay hệ thống giao thông trên địa bàn thị xã Quảng Trị gồm

03 tuyến Quốc lộ dài 7,1km, 06 tuyến đường tỉnh dài 8,07km và 61 tuyến đường huyện, đường đô thị dài 54,5km Ngoài ra còn có các tuyến đường giao thông nông thôn và giao thông nội phường với tổng chiều dài 69,2km

Tuyến đường Phú Lệ thường xuyên vận chuyển vật liệu xây dựng từ mỏ đất và cát sạn trên địa bàn xã Hải Lệ cung cấp cho các địa phương trong và ngoài tỉnh Ngoài ra đây còn là tuyến đường huyết mạch vận chuyển nông sản của người dân các thôn Phước Môn, Như

Lệ và Tân Mỹ và đảm bảo công tác phòng chống thiên tai, tìm kiếm cứu nạn trong mùa mưa bão

1.3 Hiện trạng cầu Phú Lệ tại Km2+5

1.3.1 Vị trí xây dựng: Cầu Phú Lệ nằm trên đường Phú Lệ tại

Km2+5 thuộc xã Hải Lệ, thị xã Quảng Trị, tỉnh Quảng Trị

1.3.2 Quy mô công trình

từ bản mặt cầu đã bị thối hết toàn bộ bản biên dưới

1.3.3.2 Bản mặt cầu

Chiều dày bản mặt cầu 15cm nhỏ hơn chiều dày tối thiểu yêu cầu 22TCN 272-05 và TCVN 11823:2017 là 17,5cm Bản mặt cầu BTCT chưa thấy xuất hiện vết nứt và dấu hiệu bất thường về khả năng chịu lực

Phía trên bản mặt cầu chỉ bố trí gờ chắn bánh cao khoảng 10cm,

không có lan can tay vịn, không đảm bảo an toàn cho phương tiện lưu thông Không bố trí ống thoát nước, nước từ bản mặt cầu chảy qua lỗ thoát nước và xuống trực tiếp dầm thép gây gỉ biên dưới và sườn dầm tại vị trí lỗ thoát nước

1.3.3.3 Kết cấu mố cầu

Mố cầu chưa thấy xuất hiện dấu hiệu bất thường Tuy nhiên,

bề mặt không được bằng phẳng do cấu tạo ván khuôn

1.3.3.4 Kết cấu trụ cầu

Nói chung, các trụ chưa xuất hiện dấu hiệu bất thường ảnh hưởng lớn đến khả năng chịu lực Tuy nhiên, bề mặt không được bằng phẳng do cấu tạo ván khuôn

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐÁNH GIÁ NĂNG LỰC CHỊU TẢI

CÔNG TRÌNH CẦU 2.1 Cơ sở pháp lý đánh giá năng lực chịu tải

Căn cứ Luật Giao thông đường bộ năm 2008

Căn cứ Luật Xây dựng năm 2014

Căn cứ Nghị định số 46/2015/NĐ-CP ngày 12/5/2015 của Chính phủ về Quản lý chất lượng và bảo trì công trình xây dựng

Căn cứ Thông tư số 26/2016/TT-BXD ngày 26/10/2016 của Bộ Xây dựng Quy định một số nội dung về quản lý chất lượng và bảo trì công trình xây dựng

Căn cứ Thông tư số 03/2011/TT-BXD ngày 06/4/2011 của Bộ Xây dựng về việc hướng dẫn hoạt động kiểm định, giám định và chứng nhận đủ điều kiện đảm bảo an toàn chịu lực, chứng nhận sự phù hợp về chất lượng công trình xây dựng

Căn cứ Thông tư số 52/2013/TT-BGTVT ngày 12/12/2013 của

Bộ Giao thông vận tải quy định về quản lý, khai thác và bảo trì công

trình đường bộ

Căn cứ QCVN 41:2016/BGTVT Quy chuẩn kỹ thuật Quốc gia

về báo hiệu đường bộ

2.2 Cơ sở lý thuyết xác định năng lực chịu tải

2.2.1 Các phương pháp thử tải cầu [2]

2.2.1.1 Phương pháp thử tải với tải trọng tĩnh

Những nội lực do tải trọng thử nghiệm gây ra trên các bộ phận của công trình được thử nghiệm không được nhỏ hơn các trị số sau: Nội lực do hoạt tải nặng nhất (các xe đặc biệt nặng) chạy trên đường gây ra

Trọng lượng các phương tiện vận tải được sử dụng làm tải trọng thử nghiệm cần được kiểm tra, xác minh trước khi tiến hành công việc Sai số về trọng lượng của các tải trọng thử nghiệm này phải nhỏ hơn 5%

Lần chất tải đầu tiên lên công trình cần tiến hành từ từ, kiểm tra

sự làm việc của kết cấu ở từng giai đoạn theo chỉ số đọc được ở máy

đo Thời gian lưu tải trọng thử nghiệm ở mỗi vị trí định trước, được xác định tùy thuộc theo độ ổn định của máy đo: độ sai lệch của biến dạng quan sát thấy trong 5 phút không được vượt quá 5%

Việc chất tải thử nghiệm lên các bộ phận của cầu đang khai thác thực hiện số lần chất tải lập lại 2 đến 3 lần (kể cả lần chất tải lần thứ nhất), tùy thuộc vào mức độ quan trọng của công trình mà người lãnh đạo thí nghiệm quyết định

Vị trí đặt dụng cụ đo đạc phải lựa chọn sao cho sau khi thử nghiệm có được hình ảnh tương đối đầy đủ về sự làm việc của kết cấu dưới tác dụng của tải trọng tức thời Để đo chuyển vị và biến dạng cần phải chọn những chi tiết và bộ phận kết cấu làm việc nguy hiểm (bất lợi) nhất dưới tải trọng cũng như các chi tiết và các liên kết cần được

kiểm tra theo kết quả khảo sát hoặc theo các số liệu khác

2.2.1.2 Phương pháp thử tải với tải trọng động

Tùy theo các nhiệm vụ đặt ra, thử nghiệm động được tiến hành nhằm:

+ Xác định các đại lượng động do các hoạt tải động thực tế gây

ra

+ Xác định các đặc trưng động cơ bản của công trình: các tần

số và các dạng dao động riêng, độ cứng động của công trình, các đặc trưng tắt dần của dao động

Khi thử cầu bằng tải trọng động phải cho xe chạy qua cầu nhiều lần với các tốc độ khác nhau để làm rõ tính chất làm việc động của công trình Tốc độ xe chạy trên cầu gồm 20, 30, 40, 50 và 60km/h, mỗi loại tốc độ phải chạy ít nhất 2 lần, tùy thuộc vào mỗi công trình cụ thể mà người chủ trì thí nghiệm quyết định với mỗi loại tốc độ

Trong thời gian thử động, bằng các dụng cụ đo đạc tự ghi, cần phải ghi được các gia tốc và chuyển vị của cầu

2.2.1.3 Tải trọng thử và các sơ đồ tải trọng

Đối với thử tải động và thử tải tĩnh, tải trọng thử có thể là các xe được lưu thông trên công trình Trước khi tiến hành thử tải cần xác định lại tải trọng thử bằng cân chuyên dụng, sai số cho phép không được vượt quá 5%

Tùy theo đặc điểm và yêu cầu của từng công trình mà có nhiều

sơ đồ tải trọng khác nhau Tuy nhiên, thường có 3 sơ đồ tải trọng chính: đúng tâm, lệch tâm trái và lệch tâm phải

2.2.2 Các phương pháp đánh giá cầu [8]

- Đánh giá theo hệ số tải trọng và hệ số sức kháng (LRFR) [1] [8]

- Đánh giá theo ứng suất cho phép (ASR) [1] [8]

- Đánh giá theo hệ số tải trọng (LFR)[1] [8]

2.2.3 Đánh giá cầu theo hệ số tải trọng và hệ số sức kháng [7][8]

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

- Đánh giá tải trọng cấp phép

2.2.3.1 Đánh giá tải trọng thiết kế

Theo phương pháp đánh giá cầu theo hệ số tải trọng và sức kháng [1][9], 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) 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 là OR) là đánh giá với hoạt tải cho 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 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:

2.2.5 Tính toán khả năng chịu tải C

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

C R (2.3) Đối với trạng thái giới hạn sử dụng:

C  fr (2.4)

2.2.6 Hiệu ứng tải trọng [1][8]

2.2.6.1 Hiệu ứng tĩnh tải

DL  DCDC  DWDW  PP (2.5)

2.2.6.2 Hiệu ứng hoạt tải

2.3 Xác định sức chịu tải bằng phương pháp lý thuyết

2.3.1 Đặc trưng vật liệu, tiết diện

Bảng 2.3 Các thông số mặt cắt ngang cầu

STT Các thông số mặt cắt Đơn vị Ký hiệu Tại ½ nhịp

2.3.2 Đặc trưng hình học mặt cắt đoạn giữa dầm

Đặc trưng hình học kết cấu phần trên được tính theo 2 giai đoạn chủ yếu:

- Giai đoạn 1: Thi công bản mặt cầu (Mặt cắt dầm thép không liên hợp)

- Giai đoạn 2: Mặt cắt dầm thép liên hợp dưới tác dụng tải trọng

dài hạn (hệ số modun 3n) và mặt cắt dầm thép liên hợp dưới tác dụng

Mômen dẻo phải được tính toán bằng mômen đầu tiên của lực

dẻo đối với trục trung hòa dẻo Để tính toán các lực dẻo trong các phần

thép mặt cắt liên hợp, phải dùng cường độ chảy tương ứng cho cả bản

cánh, bản bụng Lực dẻo trong các phần bêtông chịu nén của mặt cắt

liên hợp có thể dựa trên khối ứng suất chữ nhật và bỏ qua phần bê tông

chịu kéo

Vị trí của trục trung hòa dẻo phải được xác định theo điều kiện

cân bằng mà không có lực dọc trục thuần túy

Bảng 2.11 Bảng thông số mặt cắt ngang

Thành

phần Thông số Đơn vị

Vị trí mặt cắt Đầu

2.3.3.3 Bố trí cốt thép dọc trong bề rộng hữu hiệu bản mặt cầu

2.3.3.4 Các thành phần lực dẻo

2.3.4 Xác định trục trung hòa dẻo Y p và mômen dẻo M p

Hình 2.4 Các trường hợp xác định vị trí trục trung hòa dẻo

→ Mô men chảy của mặt cắt liên hợp: M y =M D1 +M D2 +M AD

2.3.6 Sức kháng uốn dương của mặt cắt liên hợp đặc chắc

Sức kháng uốn tính toán: Mr=f*Mn

- Mặt cắt đang nghiên cứu nằm trong: một nhịp giản đơn, sức kháng uốn danh định Mn được tính toán như sau:

SỬA CHỮA 3.1 Trình tự và khối lượng thực hiện

3.1.1 Thị sát công trình, đo vẽ hiện trạng cầu cũ

Trước khi tiến hành công tác thử tải phải đi thị sát công trình

để thu thập thông tin tổng quan về công trình (sơ đồ nhịp, giải pháp thiết kế mố trụ, tải trọng khai thác ), đánh giá sơ bộ những hư hỏng lớn nếu có

Đo vẽ hiện trạng cầu cũ: Đo vẽ kích thước các bộ phận kết

cấu chịu lực chính của công trình (phần lộ thiên) phục vụ công tác tính toán lý thuyết Điều tra các hư hỏng ở các bộ phận cấu kiện của cầu như vết nứt, bong tróc, các vị trí cong vênh, gỉ, sạt lở tứ nón, Những

hư hỏng được miêu tả đầy đủ trong hồ sơ gồm các khuyết tật hư hỏng

đặc trưng được phản ánh bằng phác họa hay chụp ảnh

3.1.2 Công tác trước khi đặt tải

Kiểm tra cường độ bê tông bằng súng bật nẩy kết hợp với siêu

âm để kiểm tra mức độ đồng nhất trong bê tông:

- Bắn bằng súng bật nẩy: mỗi cấu kiện bắn tại 3 khu vực có diện tích 20x20cm, mỗi khu vực bắn 10 điểm

- Siêu âm: mỗi cấu kiện đo 3 khu vực với lưới 5x5 điểm đo, khoảng cách giữa 2 điểm đo liên tiếp bằng 30cm

- Dầm chủ là dầm thép chữ I nên không tiến hành kiểm tra, chỉ kiểm tra bản mặt cầu, kết cấu mố và trụ

3.1.3 Công tác thử tải tĩnh

3.1.3.1 Nguyên tắc thiết kế thế tải

- Nguyên tắc thiết kế tải trọng thử với đoàn xe tĩnh

- Hoạt tải thử Pthử (số lượng xe, tải trọng xe)

- Bố trí xe thử tải, vị trí đo, đà giáo đo

- Tính toán các giá trị ứng suất, độ võng theo tải trọng thử

- Tải trọng thử đặt lên các nhịp theo những sơ đồ chất tải khác nhau để đạt được những hiệu ứng tải bất lợi nhất đối với mỗi mặt cắt cần đo

- Yêu cầu tải trọng thử

3.1.3.2 Xe thử tải

Tải trọng thử trên cầu là một xe tải (Hình 3.2) với khoảng cách

và tải trọng của xe tải đo được thể hiện trên bảng 3.1

Bảng 3.1 Khoảng cách và tải trọng của xe tải đo

động theo 3 phương và hệ số xung kích của kết cấu nhịp

Bố trí xe tải chạy với tốc độ lớn và có hãm phanh trên cầu để gây ra hiệu ứng động lớn nhất có thể và ghi lại biểu đồ dao động để xác định tần số dao động, chu kỳ dao động và chuyển vị theo 3 phương cho kết cấu mố M1, M2 và trụ T1

3.2 Số liệu hiện trường

3.2.1 Xác định cường độ bê tông

Bảng 3.2 Kết quả cường độ bê tông và siêu âm

Kết quả Cường độ BT (MPa)

Vận tốc siêu âm (m/s)

3.2.2 Kết quả thử tải

3.2.2.1 Kết quả thử tải tĩnh đối với kết cấu nhịp N2

Bảng 3.3 Kết quả đo đạc ứng suất tại hiện trường

STT Thế tải Vị trí Thiết bị

Độ võng lần 1 Độ võng lần 2 Trung

bình (mm)

Hệ số PBN

Bảng 3.4 Kết quả đo đạc chuyển vị tại hiện trường

Chuyể

n vị đo đạc (mm)

Chuyể

n vị tính toán (mm)

Chên

h lệch (%)

Có tải

Dỡ tải Chênh lệch

Có tải

Dỡ tải

Chênh lệch

Bảng 3.5 Kết quả đo tần số và chu kỳ kết cấu nhịp

Phương đo dao động

3.2.2.2 Kết quả thử tải động

Hình 3.4 Biểu đồ tần số thử tải động kết cấu mố M1

Hình 3.5 Biểu đồ chuyển vị động thử tải động kết cấu mố M1

Hình 3.6 Biểu đồ tần số thử tải động kết cấu mố M2

Hình 3.7 Biểu đồ chuyển vị động thử tải động kết cấu mố M2

Hình 3.8 Biểu đồ tần số thử tải động kết cấu trụ T1

Hình 3.9 Biểu đồ chuyển vị động thử tải động kết cấu trụ T1

Phương đứng Phương dọc Phương ngang

Hình 3.10 Biểu đồ tần số thử tải động kết cấu nhịp N1

Hình 3.11 Biểu đồ chuyển vị động thử tải động kết cấu nhịp N1

Phương đứng Phương dọc Phương ngang

Hình 3.12 Biểu đồ tần số thử tải động kết cấu nhịp N2

Hình 3.13 Biểu đồ chuyển vị động thử tải động kết cấu nhịp N2

3.3 Kết quả phân tích

3.3.1 Thử tải tĩnh

Bảng 3.8 cho thấy rằng tiết diện các dầm chủ làm việc trong giai đoạn đàn hồi; Ứng suất đo đạc tại thớ dưới (ứng suất kéo) và thớ trên (ứng suất nén) của các dầm chủ tại tiết diện giữa nhịp do tải trọng thử tĩnh nhỏ hơn ứng suất phân tích tính toán

Bảng 3.9 cho thấy rằng độ võng các dầm chủ tại tiết diện giữa nhịp do tải trọng thử tĩnh nói chung nhỏ hơn độ võng phân tích tính toán

Độ võng của các dầm chủ chịu trực tiếp tải trọng xe lớn hơn độ võng lý thuyết điều đó chứng tỏ độ cứng hệ liên kết ngang nhỏ nên hệ số phân

bố ngang thực tế cầu nhỏ hơn so với lý thuyết

Từ kết quả đo đạc độ võng của từng dầm, hệ số phân bố ngang thực tế của các dầm chủ được tính toán và thể hiện trên bảng 3.10

3.3.2 Thử tải trọng động

3.3.2.1 Thử tải động kết cấu nhịp

Kết quả phân tích tần số dao động và chu kỳ dao động theo 3 phương cũng như hệ số xung kích của kết cấu nhịp N1và N2 được thể hiện trên bảng 3.11 và 3.12

Bảng 3.11 cho thấy rằng Chu kỳ dao động tự do thẳng đứng không nằm trong phạm vi giới hạn 0.45s ÷ 0.60s và chu kỳ dao động tự

do nằm ngang của kết cấu nhịp không trùng hoặc bằng bội số của chu

kỳ dao động tự do thẳng đứng Do đó, kết cấu nhịp N1và N2 đảm bảo điều kiện dao động tại điều 3.A.17 trong Tiêu chuẩn 22TCN 243-98

Bảng 3.12 cho thấy rằng Hệ số xung kích đo đạc của kết cấu nhịp N1 và N2 tiệm cận với hệ số xung kích theo Tiêu chuẩn thiết kế cầu TCN 272-05, nhỏ hơn hệ số xung kích theo TCVN 11823-3:2017, Hướng dẫn cắm biển tải trọng cầu theo QCVN 41:2016/BGTVT và Tiêu chuẩn AASHTO LRFD 2014

3.3.2.1 Thử tải động kết cấu mố trụ