NGHIÊN cứu NGUYÊN NHÂN của vết nứt THẲNG ĐỨNG XUẤT HIỆN TRÊN các TRỤ cầu bê TÔNG cốt THÉP DẠNG rẻ QUẠT

Tạp chí Khoa học Cơng nghệ, Số 43A, 2020 NGHIÊN CỨU NGUYÊN NHÂN CỦA VẾT NỨT THẲNG ĐỨNG XUẤT HIỆN TRÊN CÁC TRỤ CẦU BÊ TÔNG CỐT THÉP DẠNG RẺ QUẠT NGUYỄN QUANG DŨNG 1, NGÔ CHÂU PHƢƠNG Khoa Kỹ thuật xây dựng, Trường Đại học Công nghiệp Tp.HCM, Trường đại học Giao thông Vận tải-Phân hiệu Tp.HCM nguyenquangdung@iuh.edu.vn Tóm tắt Trụ cầu dạng tƣờng rẻ quạt bê tông cốt thép thƣờng đƣợc sử dụng rộng rãi cầu vƣợt đô thị nút giao khác mức Việt Nam có ƣu điểm mỹ quan tiết kiệm vật liệu Tuy nhiên q trình thi cơng nhƣ khai thác, loại trụ xuất vết nứt thẳng đứng khu vực đỉnh trụ nhiều công trình Bài báo trình bày kết nghiên cứu giải thích nguyên nhân xuất vết nứt thẳng đứng trụ cầu dạng tƣờng rẻ quạt mơ hình chống giằng, phƣơng pháp phần tử hữu hạn đối chiếu với số liệu đo đạc thực tế nhằm đề xuất phƣơng pháp thiết kế phù hợp cho cơng trình tƣơng tự tƣơng lai Từ khóa Trụ cầu dạng tƣờng rẻ quạt, mơ hình chống giằng, cố xây dựng, nứt trụ cầu dạng tƣờng rẻ quạt STUDYING ON THE CAUSES OF THE VERTICAL CRACKS APPEARED ON THE FAN SHAPED REINFORCED CONCRETE PIERS Abstract The fan-shaped concrete piers have been widely applied in urban crossover bridges in Vietnam due to the advantages of aesthetic and material saving However, during the construction stage as well as operation stage, vertical cracks occurred on the top of the piers in some bridges The paper presents the research on the causes appearing the cracks on the fan-shaped concrete pier based on strut tie model, finite element method and comparison with measurement data for proposing a suitable design method for similar bridges in the future Keywords Fan-shaped pier, strut and tie model, trouble in construction, cracks on the fan-shaped pier ĐẶT VẤN ĐỀ Trong khoảng 15 năm trở lại đây, Thành phố Hồ Chí Minh xây dựng nhiều cầu vƣợt nút giao khác mức sử dụng kết cấu trụ cầu dạng tƣờng rẻ quạt bê tông cốt thép thƣờng Dạng trụ cầu có mỹ quan đẹp tiết kiệm nguyên vật liệu so với trụ cầu thân hẹp truyền thống, phù hợp dùng cơng trình cầu vƣợt thị Tuy nhiên số cầu sử dụng dạng trụ nhƣ cầu vƣợt nút giao Khu A- Quận (đƣờng Nguyễn Văn Linh đƣờng dẫn lên cầu Phú Mỹ), cầu vƣợt nút QL1 với đƣờng Nguyễn Văn Linh- Bình Chánh, cầu Nguyễn Văn Cừ- Quận 1, cầu vƣợt đƣờng vành đai 2… có xuất vết nứt mặt bên, mặt đỉnh trụ ụ chống xô trụ cầu [1] Thậm chí có cầu giai đoạn thi công xuất vết nứt theo phƣơng thẳng đứng mặt bên theo phƣơng ngang mặt đỉnh trụ cầu dạng rẻ quạt Bài báo nghiên cứu đánh giá nguyên nhân xuất vết nứt cho trụ cầu rẻ quạt điển hình thành phố Hồ Chí Minh đứng khía cạnh thiết kế nhằm rút học kinh nghiệm cho trình đào tạo nhân lực, thiết kế, thẩm tra thẩm định hồ sơ nhằm hạn chế xuất vết nứt cho trụ cầu dạng rẻ quạt cơng trình tƣơng tự tƣơng lai © 2020 Trƣờng Đại học Cơng nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh NGHIÊN CỨU GIẢI THÍCH NGUYÊN NHÂN XUẤT HIỆN VẾT NỨT TRÊN TRỤ CẦU BÊ TÔNG CỐT THÉP DẠNG RẺ QUẠT ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Trụ cầu dạng tƣờng rẻ quạt cơng trình đại diện đƣợc nghiên cứu có cấu tạo nhƣ hình với chiều cao H tùy thuộc vị trí trụ, trụ cầu bê tơng cốt thép thƣờng có f’c = 30MPa, lƣới cốt thép mặt đỉnh trụ đƣợc bố trí lớp gồm 15 16, cốt thép chịu nén theo phƣơng đứng bố trí lớp gồm 84 32 chân trụ 130 đỉnh trụ 32, cƣờng độ chịu kéo chảy cốt thép fy=420MPa [2] Hình Kích thƣớc trụ cầu dạng tƣờng rẻ quạt điển hình [2] Trong trình thi công, đơn vị liên quan phát vết nứt thẳng đứng mặt bên trụ, vết nứt ngang mặt thân trụ ụ chống xô nhƣ đƣợc thể hình 2, Theo kết quan trắc vết nứt bên liên quan tiến hành, vết nứt xuất theo phƣơng thẳng đứng khu vực giữ gối ụ neo, mặt hông trụ bề rộng vết nứt đo đƣợc 0,3mm đến 0,4mm với độ sâu từ 16mm đến 134mm trụ khơng có chuyển vị bất thƣờng theo phƣơng [2] Hình Vết nứt thẳng đứng mặt ngồi thân trụ [2] Hình Vết nứt ngang mặt đỉnh trụ [2] © 2020 Trƣờng Đại học Cơng nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh NGHIÊN CỨU GIẢI THÍCH NGUYÊN NHÂN XUẤT HIỆN VẾT NỨT TRÊN TRỤ CẦU BÊ TÔNG CỐT THÉP DẠNG RẺ QUẠT Hình Vết nứt ụ chống xơ [2] Các bên liên quan rà sốt tồn q trình thi cơng trụ cầu kết luận chung q trình thi cơng tn thủ tiêu chuẩn kỹ thuật áp dụng cho cơng trình khơng xác định đƣợc nguyên nhân gây nứt Đến toán đặt phải xác định đƣợc nguyên nhân xuất vết nứt để phòng tránh cố cầu tƣơng tự tƣơng lai Sau rà soát lại phƣơng pháp thiết kế, xuất số điểm cần lƣu ý nội lực trụ đƣợc tính tốn theo mơ hình cột chữ T kiểm toán theo sơ đồ dầm hẫng cho mặt cắt ngàm (điểm cách tim gối đoạn R/3 với R bán kính bo trịn thân trụ) đảm bảo chịu lực Kết kiểm toán đƣợc thể bảng Bảng Kết kiểm toán sức kháng uốn mặt cắt thẳng đứng trụ cầu theo điều 5.7.3.2.3 điều 5.8.2.1 tiêu chuẩn thiết kế 22 TCN 272-05 [2] Nội dung Nội lực Khả chịu Kết luận kiểm tốn thi cơng (1) lực tính toán (2) Moment uốn Mu=813,40 t.m Mr=5283,30 t.m Mr>Mu T1  10,62m Lực cắt Qu=980,00 t Qr=11329,77 t Qr>Qu Moment uốn Mu=637,00 t.m Mr=1578,29 t.m Mr>Mu T5  5,22m Lực cắt Qu=980,00 t Qr=5773,68 t Qr>Qu Ghi chú: (1): Nội lực phát sinh tải trọng tĩnh tác dụng lên gối 9800kN (2): Khả chịu lực (uốn, cắt) theo điều 5.7.3.2.3 5.8.2.1 tiêu chuẩn 22 TCN 272-05 Để có luận khoa học đánh giá nguyên nhân gây nứt, báo áp dụng phƣơng pháp nghiên cứu thiết kế theo mơ hình chống giằng điều 5.6.3 22 TCN 272-05 để tính tốn lƣợng cốt thép chịu lực mặt trụ dạng rẻ quạt kiểm chứng phần mềm phân tích kết cấu bê tơng cốt thép theo phƣơng pháp phần tử hữu hạn Mơ hình chống giằng đƣợc phát triển lần đầu Schlaich (1987), tiếp tục đƣợc phát triển Collins Mitchell (1991) MacGregor (1992) Năm 1994 phƣơng pháp lần dƣợc đƣa vào tiêu chuẩn thiết kế cầu AASHTO đƣợc đƣa vào tiêu chuẩn thiết kế kết cấu bê tông Viện bê tông Mỹ ACI 318-02 Mơ hình chống giằng cung cấp cách tiếp cận hợp lý cách thay kết cấu phức tạp mơ hình dàn đơn giản phù hợp [3] Theo Tiêu chuẩn thiết kế 22 TCN 272-05 đƣợc áp dụng, điều 5.13.2.4.1 5.13.2.4.2: Với dầm hẫng có chiều dài cánh hẫng (av) nh chiều cao mặt cắt (d) phải kiểm toán theo theo sơ đồ dầm ngắn hay dầm chìa phải thiết kế theo mơ hình chống giằng [3] Theo ACI 318-08, khái niệm dầm cao dầm chịu tải trọng mặt đƣợc đỡ mặt đối diện, dầm hình thành chống (chịu nén) tải trọng gối đỡ có đặc điểm sau: (1) tỷ lệ chiều dài nhịp (l) chiều cao dầm (h) bé lần; (2) tải trọng tập trung xuất gần vị trí gối đỡ (nằm khoảng lần chiều cao dầm tính từ mép gối đỡ) Khi thiết kế dầm khơng tính tốn nhƣ cấu kiện chịu uốn thông thƣờng mà phải chọn theo phƣơng pháp: (1) theo quan điểm phân bố biến dạng phi tuyến (2) sử dụng mơ hình giàn ảo Phân bố ứng suất dầm cao (hình 5) phụ thuộc vào tỷ lệ l/h l/h≤4 phân bố ứng suất hồn tồn khác với dầm thơng thƣờng [4] Trụ Kích thước mặt cắt © 2020 Trƣờng Đại học Cơng nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh NGHIÊN CỨU GIẢI THÍCH NGUYÊN NHÂN XUẤT HIỆN VẾT NỨT TRÊN TRỤ CẦU BÊ TƠNG CỐT THÉP DẠNG RẺ QUẠT Hình Phân bố ứng suất ứng với chiều cao dầm, (a) l/h=4, (b) l/h=2, (c) l/h=1, (d) l/h4 [4] Cấu tạo trụ cầu rẻ quạt thể hình 1, đến bƣớc đầu khẳng định việc áp dụng phƣơng pháp thiết kế thông thƣờng đơn vị thiết kế cho trụ cầu rẻ quạt (hình 1) chƣa phù hợp mà phải áp dụng mơ hình chống – giằng phƣơng pháp phần tử hữu hạn để thiết kế ĐÁNH GIÁ NGUYÊN NHÂN GÂY NỨT TRỤ CẦU DẠNG TƯỜNG RẺ QUẠT 3.1 Tính tốn lượng cốt thép cần thiết bố trí cho trụ theo mơ hình chống giằng Sơ đồ chống giằng trụ cầu đƣợc xây dựng hình với H=2,679m, bê tơng thân trụ có f’ c = 30MPa Cốt thép có cƣờng độ kéo chảy fy=420MPa, lớp cốt thép chịu kéo đỉnh trụ đƣợc mô tả chịu kéo cách mặt đỉnh trụ 104mm gồm 1516, vị trí chịu nén đƣợc xác định thơng qua trị số cánh tay địn nội lực J d  0,6.l  2,072m , góc xiên =55º37’58” b1  1,26m , b2  2,166m theo nguyên tắc ứng suất nén tải trọng phân bố lên chân trụ [4], [5] Tải trọng tác dụng lên gối cầu theo trạng thái giới hạn cƣờng độ đƣợc tính tốn phần mềm MIDAS, giai đoạn thi công (chƣa hợp long nhịp giữa) P=9800kN giai đoạn khai thác P=17800kN thông qua gối cầu có kích thƣớc 1m0,7m © 2020 Trƣờng Đại học Cơng nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh NGHIÊN CỨU GIẢI THÍCH NGUYÊN NHÂN XUẤT HIỆN VẾT NỨT TRÊN TRỤ CẦU BÊ TÔNG CỐT THÉP DẠNG RẺ QUẠT M1 T2 T1 T3 T4 T5 M2 Hình Mơ hình tính phản lực gối mơ hình chống giằng trụ cầu T1 cho hình Nội lực đƣợc tính tốn từ điều kiện cân lực nút, thu đƣợc kết nhƣ bảng Bảng Kết tính nội lực ứng suất theo sơ đồ chống giằng Thanh Công thức T1  P cot g ( ) C2  C3   P sin( ) Nội lực (kN) Thi công Khai thác 6.702 12.173 -11.873 Ghi -21.564 C4  P cot g ( ) -6.702 -12.173 Lực kéo giằng khơng bố trí dự ứng lực phải th a mãn điều kiện: T1   Ast f y đó: = 0,9 hệ số sức kháng kéo bê tông cốt thép thƣờng [6]; fy cƣờng độ kéo chảy cốt thép Lƣợng cốt thép chịu kéo tối thiểu là: T Astmin   f y Lực nén chống 2, có bố trí cốt thép phải th a mãn điều kiện: C2  C3   f cu Acc  f y Asc   đó: Acc diện tích bê tơng hữu hiệu chống; Asc diện tích cốt thép chống; = 0,7 hệ số sức kháng nén bê tơng cốt thép thƣờng [3] Khi lƣợng cốt thép tối thiểu chống 2, là: C  Asc    f cu Acc  fy    đó: (1) (2) (3) (4) © 2020 Trƣờng Đại học Cơng nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh NGHIÊN CỨU GIẢI THÍCH NGUN NHÂN XUẤT HIỆN VẾT NỨT TRÊN TRỤ CẦU BÊ TÔNG CỐT THÉP DẠNG RẺ QUẠT f cu  f c,  0,85 f c, ứng suất nén giới hạn chống; 0,8  170.1 1   s   s  0,002.cot g   ; s biến dạng kéo bê tông theo hƣớng giằng chịu kéo Kết tính tốn lƣợng cốt thép tối thiểu đƣợc thể bảng (5) (6) Bảng Kết tính lƣợng cốt thép tối thiểu giai đoạn thi công khai thác theo mô hình chống giằng Lượng cốt thép tối thiểu (cm2) Lượng cốt thép theo Đánh giá thiết kế (cm2) Thi công Khai thác 177,30 322,04 30,16 Thiếu cốt thép 313,00 642.62 101,43 Thiếu cốt thép Nhận xét: Lượng thép giằng bố trí thiếu dẫn đến giằng không đủ khả chịu lực làm giảm ứng suất giới hạn bê tông fcu chống 3, điều dẫn đến việc xuất vết nứt gần thẳng đứng thân trụ hình Trong trường hợp bố trí đủ lượng thép cho giằng lượng cốt thép cho chống đảm bảo thỏa mãn ứng suất giới hạn chống fcu tăng lên Thanh 3.2 Phân tích làm việc trụ cầu rẻ quạt phần mềm ATENA Để kiểm chứng kết tính tốn mơ hình chống giằng, tác giả tiến hành mô ph ng trụ cầu có thơng số cầu tạo nhƣ mơ tả mục 3.1 phần mềm chuyên dụng ATENA Bê tông đƣợc mô ph ng vật liệu biến dạng phi tuyến ba chiều (hình 7) cốt thép đƣợc mô ph ng vật liệu biến dạng theo mơ hình song tuyến tính (hình 8) Hình Mơ hình vật liệu bê tơng Hình Mơ hình vật liệu cốt thép Tải trọng tác dụng lên kết cấu đƣợc mơ hình dƣới dạng áp lực tác dụng lên bề mặt kê có kíeh thƣớc 0,7x1m với độ lớn 14 MPa tƣơng ứng với độ lớn 9800kN giai đoạn thi công Tải trọng đƣợc chia thành 10 bƣớc tác dụng lên kết cấu, kết mơ ph ng đƣợc thể hình đến hình 12 Theo kết mơ ph ng, lƣợng cốt thép dẫn đến ứng suất cốt thép đạt đến giới hạn chảy 420MPa (hình 9) Khi ứng suất cốt thép đạt giới hạn chảy, tồn ứng suất kéo chuyển sang bê tơng chịu dẫn đến ứng suất lớn bê tơng đạt đến 3,7MPa (hình 10) tƣơng ứng với biến dạng theo phƣơng 2,25x10 -3 (hình 11) bề rộng vết nứt 0,62mm (hình 12) Ứng suất bê tông thân trụ vƣợt giới hạn kháng nứt bê tông thân trụ 0,8 f r  0,8.0,6 f c,  2,761MPa dẫn đến phát sinh vết nứt theo hƣớng thẳng đứng © 2020 Trƣờng Đại học Cơng nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh NGHIÊN CỨU GIẢI THÍCH NGUYÊN NHÂN XUẤT HIỆN VẾT NỨT TRÊN TRỤ CẦU BÊ TƠNG CỐT THÉP DẠNG RẺ QUẠT Hình Kết ứng suất kéo lƣới cốt thép, ứng suất cốt thép đạt đến giới hạn chảy 420MPa Hình 10 Ứng suất lớn bê tơng trụ đạt 3,7MPa Hình 11 Biến dạng lớn bê tơng trụ đạt 2,25910-3 Hình 12 Cấu trúc vết nứt bê tông thân trụ, độ mở rộng vết nứt lớn đỉnh trụ đạt đến 0,62mm © 2020 Trƣờng Đại học Cơng nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh NGHIÊN CỨU GIẢI THÍCH NGUYÊN NHÂN XUẤT HIỆN VẾT NỨT TRÊN TRỤ CẦU BÊ TÔNG CỐT THÉP DẠNG RẺ QUẠT 10 So với kết tính tốn mơ ph ng phần mềm ATENA kết tính tốn theo mơ hình chống giằng phù hợp Điều khẳng định nguyên nhân phát sinh vết nứt thiết kế lớp cốt thép chịu kéo mặt trụ cầu bị thiếu Để xử lý vấn đề thiếu cốt thép áp dụng cơng nghệ dự ứng lực cáp dự ứng lực thép cƣờng độ cao Macalloy, vấn đề đƣợc bàn luận báo khác KẾT LUẬN Đa phần hồ sơ thiết kế áp dụng phƣơng pháp mặt cắt tính tốn truyền thống b qua tính tốn mà bố trí cốt thép theo kinh nghiệm hay thiết kế mẫu trụ tƣờng thân hẹp có hình dạng gần tƣơng tự Qua kết tính tốn, phân tích mơ hình chống giằng kiểm chứng phƣơng pháp phần tử hữu hạn báo kết luận nguyên nhân nứt trụ cầu bê tơng cốt thép thƣờng có dạng tƣờng rẻ quạt áp dụng phƣơng pháp tính tốn thiết kế chƣa phù hợp Từ phân tích, tính toán thiết kế loại trụ cầu dạng rẻ quạt phải áp dụng mơ hình chống giằng cần thiết trƣờng ứng suất nhiễu loạn nên việc áp dụng phƣơng pháp thiết kế truyền thống khơng an tồn Phƣơng pháp tính tốn thiết kế theo mơ hình chống giằng cịn Mặt khác, tiêu chuẩn thiết kế cầu hành đề cập sơ sài, nên dẫn đến cố đáng tiếc thiết kế Điều cho thấy cần thiết việc cập nhật chƣơng trình đào tạo trƣờng đại học quan nghiên cứu; đối quan tƣ vấn thiết kế, tƣ vấn thẩm tra quản lý nhà nƣớc là kinh nghiệm tham khảo để giải toán thực tế nhằm hạn chế cố tƣơng tự tƣơng lai TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Công ty TNHH Tƣ vấn thiết kế BR, Kết khảo sát cầu vượt nút giao khu A, cầu nút qiao QL1A- Nguyễn Văn Linh, cầu Nguyễn Văn Cừ cầu vượt đường vành đai 2, 2017 [2] Công ty cổ phần UTC2, Báo cáo đánh giá kết kiểm toán độc lập trụ cầu rẻ quạt giải pháp tăng cường, 2018 [3] Bộ Giao thông vận tải, Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22 TCN 272-05, 2005 [4] Bungale S Taranath, Reinforced concrete design of tall buildings, CRC Press - Taylor & Francis Group, 2010 [5] Nguyễn Viết Trung, Dƣơng Tuấn Minh, Nguyễn Thị Tuyết Trinh, Tính tốn kết cấu bê tơng cốt thép theo mơ hình giàn ảo, NXB Xây dựng, 2005 Ngày nhận bài: 03/07/2019 Ngày chấp nhận đăng: 12/11/2019 © 2020 Trƣờng Đại học Cơng nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh ... NGHIÊN CỨU GIẢI THÍCH NGUYÊN NHÂN XUẤT HIỆN VẾT NỨT TRÊN TRỤ CẦU BÊ TÔNG CỐT THÉP DẠNG RẺ QUẠT ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Trụ cầu dạng tƣờng rẻ quạt cơng trình đại diện đƣợc nghiên cứu. .. rộng vết nứt lớn đỉnh trụ đạt đến 0,62mm © 2020 Trƣờng Đại học Cơng nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh NGHIÊN CỨU GIẢI THÍCH NGUYÊN NHÂN XUẤT HIỆN VẾT NỨT TRÊN TRỤ CẦU BÊ TÔNG CỐT THÉP DẠNG RẺ QUẠT... sinh vết nứt theo hƣớng thẳng đứng © 2020 Trƣờng Đại học Cơng nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh NGHIÊN CỨU GIẢI THÍCH NGUYÊN NHÂN XUẤT HIỆN VẾT NỨT TRÊN TRỤ CẦU BÊ TƠNG CỐT THÉP DẠNG RẺ QUẠT Hình