Đánh giá khả năng chịu tải công trình cầu theo quan điểm tích hợp của AASHTO - USA

Bài viết Đánh giá khả năng chịu tải công trình cầu theo quan điểm tích hợp của AASHTO - USA tập trung nghiên cứu phương pháp hiệu chỉnh mô hình lý thuyết, phân tích kết cấu làm việc phù hợp với mô hình làm việc thực tế của công trình thông qua các số liệu đo đạc ứng suất biến dạng thực tế của công trình cầu.

Nguyễn Duy Thảo 60 ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG CHỊU TẢI CƠNG TRÌNH CẦU THEO QUAN ĐIỂM TÍCH HỢP CỦA AASHTO - USA EVALUATING THE LOAD CAPACITY OF BRIDGES BASED ON THE INTERGRATED APPROACH OF AASHTO - USA Nguyễn Duy Thảo Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng; Email: ngduythao1978@yahoo.com Tóm tắt - Cơng tác đánh giá khả chịu tải thực tế cơng trình cầu đóng vai trị quan trọng cơng trình cầu xây dựng xong cầu đưa vào khai thác, sử dụng Bên cạnh đó, tuổi thọ khả làm việc cầu thực tế có sai khác so với q trình tính tốn thiết kế Việc áp dụng quan điểm tích hợp hiệp hội đường cao tốc giao thông vận tải Hoa Kỳ (AASHTO) góp phần nâng cao hiệu quả,độ xác giảm thời gian công tác đánh giá khả chịu tải cơng trình cầu Bài báo tập trung nghiên cứu phương pháp hiệu chỉnh mơ hình lý thuyết, phân tích kết cấu làm việc phù hợp với mơ hình làm việc thực tế cơng trình thơng qua số liệu đo đạc ứng suất biến dạng thực tế cơng trình cầu Mơ hình phân tích kết cấu sau hiệu chỉnh dùng để đánh giá khả chịu tải cơng trình cầu thơng qua hệ số Rating Factor (RF) theo quan điểm tích hợp AASHTO Abstract - The evaluation and testing of a bridge play an important role for new bridges as well as the ones which have been put into operation Besides, the longevity and the operating ability of bridges in reality differ from their calculations and designs The application of the intergrated approach according to the standards of American Association of State Highway and Transportation Officials (AASHTO) is to contribute to the enhancement of the efficiency, the accuracy and the time reduction in the evaluation of the load capacity of bridges This paper focuses on studying the method for adjusting the theoretical structural bridge model in correspondence with actual structural bridges based on the experimental data of the strain of the actual bridge structure The theoretical structural bridge model after adjustment will be used to assess the load capacity of bridges via the Rating factor (RF) according to the intergrated approach of AASHTO Từ khóa - hiệp hội đường cao tốc giao thông vận tải Hoa Kỳ; quan điểm tích hợp; hệ số đánh giá tải trọng; biến dạng kết cấu cầu; mơ hình kết cấu cầu Key words - American Association of State Highway and Transportation Officials (AASHTO); the intergrated approach; rating factor; the strain of bridge structure; the model of bridge structure Đặt vấn đề Đánh giá khả chịu tải thực tế cơng trình cầu nội dung quan trọng để đảm bảo an tồn cơng trình cầu q trình khai thác sử dụng Khi tiến hành đánh giá lực chịu tải cầu thường gặp phải số khó khăn: sai khác q trình thiết kế, tính tốn lý thuyết trình làm việc thực tế cầu điều khó tránh khỏi; nước ta nay, cơng tác thiết kế cơng trình cầu áp dụng theo Quy trình thiết kế 22TCN 272-05 [1] dựa tiêu chuẩn AASHTO-LRFD-1998 [2] Hoa Kỳ, nhiên công tác kiểm định đánh giá khả chịu tải cơng trình cầu lại áp dụng theo tiêu chuẩn 22TCN 243-98 [3] dựa theo tiêu chuẩn Nga Sự khác biệt quan điểm quy trình thiết quy trình kiểm định gây nhiều khó khăn công tác đánh giá khả chịu tải thực tế cơng trình cầu cũng cơng tác quản lý khai thác cầu sau Đặc biệt, kết cấu dầm làm việc không gian khả ứng xử kết cấu khác biệt nhiều so với lý thuyết tính tốn mơ hình phẳng Nhu cầu đánh giá cơng trình cầu cơng trình cầu đã qua sử dụng nước ta thời gian tới lớn, đòi hỏi phải cập nhật quan điểm quy trình đánh giá khả chịu tải cơng trình cầu theo quan điểm tích hợp [4] AASHTO Đánh giá khả chịu tải thực tế cơng trình cầu theo quan điểm tích hợp AASHTO Sự làm việc thực tế công trình cầu có sai khác so với mơ hình tính tốn thiết kế nhiều ngun nhân khách quan chủ quan như: Sự khác biệt quan điểm quy trình thiết kế; Các giả thiết nhằm đơn giản hóa q trình phân tích; Trình độ đơn vị thi công, công nghệ thi công công tác quản lý trình xây dựng… Do vậy, sử dụng mơ hình phân tích kết cấu ban đầu (mơ hình thiết kế ban đầu) để đánh giá khả chịu tải không phản ánh trạng thái chịu lực thực tế cơng trình Theo quan điểm tích hợp AASHTO cần thiết phải hiệu chỉnh mơ hình phân tích ban đầu dựa vào kết đo đạc biến dạngứng suất thực tế công trình Mơ hình kết cấu cầu sau hiệu chỉnh dùng để đánh giá khả chịu tải theo hệ số Rating Factor (RF) sau: RF = C −  DC DC −  DW DW   P P  LL LL.(1 + IM ) (1) Trong đó: C - Sức kháng tính tốn dầm; DC, DW, LL, P- hiệu ứng lực trọng lượng thân dầm, lớp phủ, hoạt tải tải trọng chất thêm phân tích mơ hình kết cấu cầu sau đã hiệu chỉnh; DC, DW, LL, P- hệ số tải trọng tương ứng với tải trọng DC, DW, LL P Theo AASHTO cơng trình cầu đảm bảo chịu hoạt tải hệ số RF>1 Sự khác biệt cơng trình cầu thực tế mơ hình thiết kế phản ánh thơng qua thông số: độ cứng dầm chủ, độ cứng mặt cầu, độ cứng hệ liên kết ngang, độ cứng gối tựa, cường độ bê tông thực tế Đây cũng thơng số cần thiết phải cập nhật hiệu chỉnh lại mô hình tính tốn lý thuyết để phù hợp với ứng xử thực tế cơng trình Nội dung phương pháp tích hợp dựa phân tích tương quan liệu thu thập từ thực tế đo đạc mơ hình lý thuyết nhằm đưa kết đánh giá ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(84).2014, QUYỂN phù hợp điều kiện làm việc thực kết cấu Các liệu đo đạc thực tế trường sở để chỉnh sửa thơng số mơ hình phân tích lý thuyết kết cấu mơ hình phân tích lý thuyết ứng xử gần giống với kết cấu thực tế Sự phù hợp mơ hình phân tích lý thuyết sau đã hiệu chỉnh kết cấu thực tế đánh giá thông qua sai số hệ số tương quan Bảng 61 Thínghiệm tr- ờng (BDI-STS) Mô hình phần tử hữu hạ n (BDI-WinGen) Đ nh giá phản ứng vớ i hoạ t tải thử nghiệm (BDI-WinGRF) Phân tích tyến tính đàn hồi mô hình phần tử hữu hạ n Bảng Đánh giá sai số Hàm sai số Sai số tuyệt đối Sai số phần trăm Sai số tỷ lệ Phương trình xác định   −  ( −  ) /  ( )  max  −   max   ( −  )( −  )  ( −  ) ( −  ) m c m c So s¸ nh, đá nh giá sai số (BDI-WinSac) m m Đ óng c gage m c c c c m Mô hình hiệu chuẩn m Trong ú: m - biến dạng đo đạc thực tế kết cấu; εc - biến dạng kết cấu từ mơ hình tính tốn lý thuyết Mơ hình phân tích lý thuyết sau hiệu chỉnh xem “mơ hình hiệu chuẩn” giá trị biến dạng tính tốn mơ hình phân tích lý thuyết εc phù hợp với giá trị biến dạng đo đạc thực tế kết cấu thực εm; phù hợp thể thông qua giá trị: sai số phần trăm, sai số tỷ lệ nhỏ 10% hệ số tương quan mơ hình phân tích lý thuyết kết cấu thực lớn 0,9 quy định Bảng “Mô hình hiệu chuẩn” dùng để đánh giá khả chịu tải thực tế cơng trình, dự đốn tải trọng cho phép ứng suất tải Mơ hình cũng sử dụng để trợ giúp để thiết kế nâng cấp cải tạo tu bảo dưỡng cơng trình Bảng Sai số hệ số tương quan mơ hình hiệu chuẩn Hàm sai số Sai số phần trăm (%) Sai số tỷ lệ (%) Hệ số tương quan HiƯu chØnh l¹ i mô hình m m gage H s tng quan Sai Giá trị u cầu mơ hình hiệu chuẩn 1 RFM = Hình 11:So sánh kết biến dạng ½ nhịp dầm trước hiệu chỉnh; □: giá trị εc —:giá trị εm Giá trị ban đầu 2,7E+11 2,7E+11 31975 22063 3,627E+10 C M −  DC M DC −  DW M DW  LL M LL (1 + IM ) RFV = CV −  DC VDC −  DW VDW  LL VLL (1 + IM ) (2) (3) Trong đó: CM,CV- Sức kháng uốn, sức kháng cắt tính tốn dầm Super T; MDC, M DW, M LL- mô men tải trọng DC, DW, LL gây dầm Super T mơ hình đã hiệu chỉnh; VDC, VDW, VLLlần lượt lực cắt tải trọng DC, DW, LL gây dầm Super T mô hình đã hiệu chỉnh; IMhệ số xung kích hoạt tải LL Các hệ số tải trọng hệ số xung kích lấy phụ thuộc vào trạng thái giới hạn xác định theo Bảng Hình 12:So sánh kết biến dạng ½ nhịp dầm saukhi hiệu chỉnh; □: giá trị εc —:giá trị εm Đánh giá sai số hệ số tương quan kết biến dạng εc mơ hình phân tích trước sau đã hiệu chuẩn so với số liệu kết đo đạc biến dạng εm thể Bảng Bảng tổng hợp hệ số tải trọng, hệ số xung kích Trạng thái giới hạn Kiểm kê Khai thác DC DW P LL IM 1,25 1,25 1,5 1,5 1,2 1,2 1,75 1,35 0,25 0,25 Nguyễn Duy Thảo 64 Kết xác định giá trị Rating Factor (RF) dầm Super T xe ba trục thể Bảng xe hai trục thể Bảng Bảng Kết xác định giá trị RFđối với xe trục theo quan điểm tích hợp đánh giá mức độ dự trữ cường độ chịu lực dầm hoạt tải khai thác cao so với giá trị phân tích đơn vị thiết kế Điều đặc biệt có ý nghĩa tiến hành đánh giá khả chịu lực cơng trình cầu cũ đã trãi qua thời gian dài khai thác sử dụng Kết luận Bảng Kết xác định giá trị RF xe trục Giá trị Rating factor (RF) dầm Super T giá trị Rating factor nhỏ tất trường hợp Ta xác định RF = 2,10 >1; vậy dầm super T đảm bảo khả chịu hoạt tải thiết kế HL93 Giá trị RF xe ba trục (RF=2,10) nhỏ so với giá trị RF xe hai trục (RF=2,69), điều chứng tỏ xe ba trục gây hiệu ứng nội lực bất lợi xe hai trục dầm super T Để thấy rõ khác biệt tiến hành đánh giá khả chịu tải dầm Super T mơ hình đã hiệu chỉnh mơ hình ban đầu hờ sơ thiết kế, ta áp dụng công thức (2) (3) với giá trị mô men M lực cắt V lấy theo hờ sơ tính tốn Đơn vị thiết kế Kết đánh giá thể Bảng Ta nhận thấy giá trị RF dựa kết phân tích đơn vị thiết kế (RF=1,37) cũng lớn nhỏ nhiều so với giá trị (RF=2,10) xác định mơ hình đã hiệu chỉnh Bảng Kết xác định giá trị RF dầm Super T lấy theo kết phân tích nội lực đơn vị tư vấn thiết kế Như vậy, đánh giá khả chịu tải cơng trình cầu Bài báo đã trình bày nội dung phương pháp hiệu chỉnh mơ hình đánh giá khả chịu tải cơng trình cầu dựa vào số liệu đo đạc thực nghiệm theo quan điểm tích hợp Hiệp hội đường cao tốc giao thông vận tải Hoa Kỳ (AASHTO) Tiến hành đo đạc số liệu biến dạng thực tế cho nhịp dầm super T (L=40m) tác dụng hoạt tải thử nghiệm cơng trình cầu Nguyễn Tri Phương – TP Đà Nẵng; Xây dựng mô ứng xử nhịp cầu Super T hoạt tải thử nghiệm máy tính; Hiệu chỉnh mơ hình phân tích dầm Super T dựa vào số liệu biến dạng đo đạc thực tế cơng trình; Tiến hành đánh giá khả chịu tải thực tế dầm Super T (L=40m) cầu Nguyễn Tri Phương thông qua hệ số đánh giá tải trọng (RF) theo quan điểm tích hợp AASHTO TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Bộ Giao thông Vận tải, Tiêu chuẩn kỹ tḥt cơng trình giao thơng, tập VII, Tiêu chuẩn Thiết kế cầu 22-TCN 272:05, Nhà xuất GTVT, Hà Nội, 2005 [2] AASHTO-LRFD Bridge Design Specification – SI Units Third Edition, 2004 [3] Tiêu chuẩn ngành 22TCN 243-98 Quy định kiểm định cầu đường ô tô [4] The intergrated approach to load testing instruction Manual – Bridge Diagnostics Inc, 2006 [5] WinGRF - Graphing Utility Software Users Manual – Bridge Diagnostics Inc, 2010 [6] WinGen - Utility Software Users Manual - Bridge Diagnostics Inc, 2010 [7] WinSac - Utility Software Users Manual - Bridge Diagnostics Inc, 2010 (BBT nhận bài: 07/10/2014, phản biện xong: 24/10/2014) ... Đ nh giá tải trọng (Rating factor) Hỡnh S khối thể nội dung phương pháp hiệu chỉnh mô hình phân tích theo quan điểm tích hợp Ứng dụng phương pháp tích hợp AASHTO đánh giá khả chịu tải dầm... chỉnh mơ hình phân tích khả chịu tải cơng trình cầu theo quan điểm tích hợp thể Hình Trong sơ đờ khối thể Hình Phần mềm WinGRF [5] đánh giá phản ứng kết cấu tác dụng hoạt tải thử nghiệm Phần... quan mơ hình phân tích lý thuyết đã hiệu chuẩn kết cấu thực 0,985 Các giá trị thỏa mản giá trị yêu cầu Bảng Như vậy: mơ hình đã hiệu chỉnh sử dụng để đánh giá khả chịu tải theo quan điểm tích