Phân tích, đánh giá hiệu quả đối với các giải pháp tăng cường kết cấu nhịp cầu bê tông nhằm nâng cao năng lực khai thác để phù hợp với cắm biển tải trọng theo qcvn 412012 cấp bộ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI - - BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ CẤP BỘ PHÂN TÍCH, ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ ĐỐI VỚI CÁC GIẢI PHÁP TĂNG CƯỜNG KẾT CẤU NHỊP CẦU BÊ TÔNG NHẰM NÂNG CAO NĂNG LỰC KHAI THÁC ĐỂ PHÙ HỢP VỚI CẮM BIỂN TẢI TRỌNG THEO QCVN 41:2012 Mã số: B2016-GHA-01 Chủ nhiệm đề tài: PGS.TS Nguyễn Ngọc Long HÀ NỘI, 12/2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI - - BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ CẤP BỘ PHÂN TÍCH, ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ ĐỐI VỚI CÁC GIẢI PHÁP TĂNG CƯỜNG KẾT CẤU NHỊP CẦU BÊ TÔNG NHẰM NÂNG CAO NĂNG LỰC KHAI THÁC ĐỂ PHÙ HỢP VỚI CẮM BIỂN TẢI TRỌNG THEO QCVN 41:2012 Mã số: B2016-GHA-01 Xác nhận tổ chức chủ trì Chủ nhiệm đề tài PGS.TS Nguyễn Ngọc Long HÀ NỘI, 12/2017 DANH SÁCH NHỮNG THÀNH VIÊN THAM GIA NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI TT Họ tên Đơn vị công tác Nhiệm vụ PGS.TS Nguyễn Ngọc Long Bộ môn Cầu - Hầm, Đại học GTVT Chủ nhiệm đề tài TS Đỗ Anh Tú Bộ môn Cầu - Hầm, Đại học GTVT Thư ký đề tài TS.Nguyễn Văn Hậu Bộ môn Cầu - Hầm, Đại học GTVT Thành viên TS.Bùi Tiến Thành Bộ môn Cầu - Hầm, Đại học GTVT Thành viên ThS Nguyễn Xuân Lam Bộ môn Cầu - Hầm, Đại học GTVT Thành viên NCS.Nguyễn Mạnh Hải Bộ môn Cầu - Hầm, Đại học GTVT Thành viên TS Hồ Xuân Nam Bộ môn Cầu - Hầm, Đại học GTVT Thành viên TS.Trần Anh Tuấn Bộ môn Cầu - Hầm, Đại học GTVT Thành viên ĐƠN VỊ PHỐI HỢP CHÍNH Công ty TNHH Giao thông vận tải Công ty cổ phẩn SBTech Trung tâm khoa học công nghệ GTVT i MỤC LỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT v THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU vi INFORMATION ON RESEARCH RESULTS viii PHẦN MỞ ĐẦU CHƯƠNG NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ CÁC GIẢI PHÁP TĂNG CƯỜNG KẾT CẤU CẦU BÊ TÔNG CỐT THÉP 1.1 Thực trạng dạng kết cấu nhịp bê tông cốt thép khai thác Việt Nam Các dạng hư hỏng cầu bê tông nước ta Các nguyên nhân gây hư hỏng cầu bê tông cốt thép 1.2 Các giải pháp tăng cường kết cấu nhịp cầu bê tông cốt thép giới Việt Nam 1.2.1 Phương pháp dùng thép gia cường (dán thép) 1.2.2 Phương pháp dùng dự ứng lực căng 1.2.3 Phương pháp sử dụng loại vật liệu composite sợi cường độ cao FRP 1.3 Cơ sở đề xuất hướng nghiên cứu CHƯƠNG NGHIÊN CỨU, XÂY DỰNG MƠ HÌNH TÍNH TỐN TĂNG CƯỜNG KẾT CẤU 2.1 Mơ hình tính tốn kết cấu tăng cường dán thép (sợi bon) 2.2 Xây dựng mơ hình tính tốn kết cấu tăng cường dán sợi các-bon theo công nghệ bơm hút chân khơng (VARTM) 2.3 Xây dựng mơ hình tính tốn kết cấu dự ứng lực 2.4 Xây dựng phần mềm mô làm việc kết cấu sau tăng cường CHƯƠNG NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM CÁC GIẢI PHÁP TĂNG CƯỜNG KẾT CẤU NHỊP 3.1 Xây dựng mơ hình thí nghiệm kết cấu tăng cường phịng thí nghiệm 3.2 Phân tích, xử lý số liệu đánh giá độ tin cậy công nghệ 3.3 Thử nghiệm uốn kết cấu dầm tăng cường CHƯƠNG ĐÁNH GIÁ KHẢ CHỊU TẢI CỦA KẾT CẤU NHỊP CẦU SAU TĂNG CƯỜNG THEO AASHTO LRFR 2011 VÀ THIẾT KẾ CÔNG NGHỆ 10 ii 4.1 Xây dựng phương pháp đánh giá kết cấu sau tăng cường theo AASHTO LRFR 2011 10 4.2 Đề xuất cắm biển tải trọng theo QCVN 41:2012 10 4.3 Giới thiệu giải pháp thiết kế công nghệ tăng cường kết cấu nhịp 12 4.3.1 Giải pháp tăng cường DƯL-N 12 4.3.2 Giải pháp tăng cường dán sợi composite 12 4.4 Một số dẫn công nghệ, thí nghiệm thiết kế kết cấu nhịp sau tăng cường 12 4.4.1 Đối với phương án DƯL-N 12 4.4.2 Đối với phương án dán sợi 13 CHƯƠNG ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ GIẢI PHÁP TĂNG CƯỜNG TRÊN MỘT CÔNG TRÌNH CẦU THỰC TẾ 13 5.1 Đánh giá kết cấu nhịp khả chịu tải trọng 13 5.2 Đánh giá kết cấu độ bền lâu 13 5.3 Đánh giá hiệu kinh tế - kỹ thuật hai phương án tăng cường 14 iii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 2.1 Mơ hình KCN tăng cường DƯL ngồi Hình 3.1 Đo thời gian bơm keo theo phương dọc (dầm số 1) .9 Hình 3.2 Biểu đồ kết thí nghiệm tương quan lực độ võng 10 Hình 4.3 Giao diện chương trình CB 1.0 12 iv CÁC CHỮ VIẾT TẮT AASHTO American Association of State Highway and Transportation Officials (Hiệp hội Giao thông Vận tải đường Hoa Kỳ) ACI American Concrete Institute (Viện bê tông Hoa Kỳ) BT Bê tông BTCT Bê tông cốt thép BTDƯL Bê tông dự ứng lực DƯL Dự ứng lực CFRP Fiber-Reinforced Polymer: vật liệu nhựa tổng hợp gia cố sợi các-bon DƯL-N Dự ứng lực FRP Fiber-Reinforced Polymer: vật liệu nhựa tổng hợp gia cố sợi KCN Kết cấu nhịp VARTM Công nghệ dán hỗ trợ bơm hút chân không v BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO Đơn vị: Trường Đại học Giao thơng vận tải THƠNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU Thông tin chung: - Tên đề tài: Phân tích, đánh giá hiệu giải pháp tăng cường kết cấu nhịp cầu bê tông nhằm nâng cao lực khai thác để phù hợp với cắm biển tải trọng theo QCVN 41:2012 - Mã số: B2016-GHA-01 - Chủ nhiệm đề tài: PGS.TS Nguyễn Ngọc Long - Tổ chức chủ trì: Trường Đại học Giao thơng vận tải - Thời gian thực hiện: 1/2016-12/2017 Mục tiêu: Phân tích đánh giá giải pháp tăng cường kết cấu nhịp cầu bê tông cốt thép đường ô tô sở tiêu chí lực chịu tải, tuổi thọ, quy trình cơng nghệ thi công, giá thành, điều kiện khai thác Đề xuất dẫn đánh giá khả chịu tải kết cấu nhịp cầu đường ô tô theo Sổ tay đánh giá cầu AASHTO LRFR 2011 phù hợp với cắm biển tải trọng theo Quy chuẩn QCVN 41:2012 mà Bộ Giao thơng Vận tải ban hành Tính sáng tạo: Đưa giải pháp tăng cường kết cấu nhịp nhằm phục vụ cho công tác cắm biển tải trọng theo quy chuẩn QCVN 41: 2012 (cập nhật 2016) Đánh giá công nghệ tăng cường dán sợi bon, dự ứng lực ngồi phù hợp với điều kiện cơng nghệ Việt Nam, u cầu đảm bảo thơng xe bình thường q trình thi cơng Bước đầu đánh giá độ bền sợi bon tăng cường dầm Kết nghiên cứu: Bản hướng dẫn đánh giá khả chịu tải kết cấu nhịp theo Sổ tay đánh giá cầu AASHTO LRFR 2011; Bản hướng dẫn thiết kế thi công tăng cường kết cấu nhịp theo hướng nghiên cứu đề xuất, áp dụng thực cho KCN cầu BTCT bê tông dự ứng lực Việt Nam Sản phẩm: Báo cáo tổng hợp kết nghiên cứu đề tài; Hướng dẫn thiết kế thi công tăng cường kết cấu nhịp theo hướng nghiên cứu đề xuất; Hướng dẫn đánh giá khả chịu tải kết cấu nhịp; Bộ hồ sơ vẽ thiết kế thi công; 02 báo đăng tạp chí nước (có phản biện); Đào tạo 02 học viên cao học (đã bảo vệ thành công) vi Phương thức chuyển giao, địa ứng dụng, tác động lợi ích mang lại kết nghiên cứu: Chuyển giao kết nghiên cứu thơng qua báo, cơng trình cơng bố liên quan để làm tài liệu tham khảo phục vụ lĩnh vực nghiên cứu sửa chữa tăng cường cầu; Áp dụng kết vào công tác giảng dạy mơn học có liên quan Nhà trường; Đề xuất với Bộ Giao thông Vận tải, Tổng Cục Đường Bộ thống quy chuẩn đánh giá công nghệ sửa chữa tăng cường cầu Địa ứng dụng: bước đầu ứng dụng vào số cơng trình cầu khu vực miền Trung, thuộc quản lý Cục QLĐB Ngày 25 tháng 12 năm 2017 Tổ chức chủ trì Chủ nhiệm đề tài (ký, họ tên, đóng dấu) (ký, họ tên) PGS.TS Nguyễn Ngọc Long vii INFORMATION ON RESEARCH RESULTS General information: Project title: Analysis and assessment the effectiveness of strengthening methods of concrete bridge structures to improve their service capacity in accordance with QCVN 41:2012 Code number: B2016-GHA-01 Coordinator: Assoc.Dr Nguyen Ngoc Long Implementing institution: University of Transport and Communications Duration: from 1/2016 to 12/2017 Objective(s): Analyze and assess the effectiveness of strengthening methods of concrete bridge structures on highways based on criteria of load bearing capacity, longevity, construction technology procedures, construction cost, and service conditions Propose guidelines for assessing load bearing capacity of highway concrete bridge structures in accordance with QCVN 41:2012 and AASHTO LRFR 2011 Creativeness and innovativeness: Proposal of strengthening methods of concrete bridge structures on highways and proposal of bridge weight limit signs in accordance with QCVN 41:2012 (updated 2016) Assessment of strengthening methods using CFRP and external prestressing suitable with Vietnam conditions in which continuous vehicle traffic is one of the requirements Preliminary evaluation of durability of CFRP using in strengthening reinforced concrete beams Research results: Guidelines for assessing load bearing capacity of concrete bridge superstructures; Guidelines for designing and fabricating concrete bridge superstructures using the proposed methods which can be applied for reinforced concrete and prestressed concrete bridges in Vietnam Products: Final research report; Guidelines for designing and fabricating concrete bridge superstructures using the proposed methods; Guidelines for assessing load bearing capacity of concrete bridge superstructures; Set of fabrication design drawings; 02 peer-reviewed domestic journal papers; 02 Master students successfully defended Transfer alternatives, application institutions, impacts and benefits of research results: Transfer the research results through journal paper and related published pulications which can be used as research reference documents in this field; Apply the research results in the academic education in universities; Consult with the Ministry of Transporation and Directorate for Roads of Vietnam to propose the unification of the bridge strengthening specifications viii PHẦN MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài: Hiện hệ thống quốc lộ Việt Nam có hàng nghìn cầu yếu cắm biển hạn chế tải trọng gây ảnh hưởng lớn đến lực khai thác tuyến Để nâng cao hiệu đáp ứng nhu cầu vận tải ngày cao cần thiết phải tăng cường khả chịu tải cầu Trong thời gian qua Bộ giao thông vận tải cho phép triển khai sử dụng nhiều giải pháp sửa chữa mới, công nghệ vật liệu nhằm mục đích tăng cường kết cấu nhịp cầu cũ nâng cao tải trọng khai thác độ bền khai thác Các biện pháp tăng cường kết cấu nhịp cầu dầm bê tông áp dụng thời gian qua dán thép, sử dụng dự ứng lực ngoài, dán sợi cácbon, Tuy nhiên, thực tiễn Việt Nam xảy tượng có dạng kết cấu nhịp cầu giống giải pháp công nghệ sửa chữa, tăng cường cầu lại hoàn toàn khác dẫn đến kết cắm biển hạn chế tải trọng khác gây khó khăn cho cơng tác quản lý, ảnh hưởng không nhỏ đến lực độ bền khai thác cầu, gây cản trở cho doanh nghiệp vận tải khai thác tuyến Cơ sở thiết kế tăng cường kết cấu bê tông Tiêu chuẩn thiết kế cầu theo hệ số tải trọng hệ số sức kháng 22TCN 272-05, có tham chiếu phiên gần AASHTO LRFD 2010, 2012 Tuy nhiên tiêu chuẩn thiết kế tăng cường cách dán tấm/bản sợi cácbon chưa ban hành Gần AASHTO ban hành Tiêu chuẩn hướng dẫn thiết kế tăng cường dán sợi cácbon – "AASHTO Guide Specifications for Design of Bonded FRP Systems for Repair and Strengthening of Concrete Bridge Elements, 1st Edition 2012" – tài liệu tham khảo quan trọng để vận dụng thiết kế tăng cường kết cấu bê tông dán sợi cácbon Với điều kiện kinh phí có hạn khơng có khả thay hết cầu yếu, Bộ giao thông vận tải, Tổng cục đường Việt Nam quan quản lý trực tiếp cơng trình cầu có khó khăn định việc nghiên cứu có tính định hướng đánh giá hiệu lựa chọn giải pháp tăng cường cách hiệu xác cho kết cấu nhịp cầu bê tơng điển hình hệ thống quốc lộ Việt Nam nhằm mục đích nâng cao tải trọng khai thác; thống cắm biển hạn chế tải trọng theo QCVN 41:2012 Hướng dẫn đánh giá cầu AASHTO LRFR 2011 Bộ giao thông vận tải cho phép áp dụng tiến tới bỏ biển hạn chế tải trọng đồng thời đảm bảo độ bền lâu cho cơng trình Chính vậy, việc tìm kiếm xây dựng mơ hình phân tích tính tốn kết cấu giải pháp sử dụng phục vụ cho công tác cắm biển tải trọng cho cầu khai thác hệ thống đường Việt Nam cần thiết Hiện giới có nhiều nghiên cứu giải pháp sửa chữa tăng cường kết cấu nhịp cầu bê tông, cho kinh nghiệm kết khác Đối với việc tăng cường kết cấu phụ thuộc nhiều vào trạng, vật liệu, tay nghề thi công, điều kiện khai thác cầu hữu, yếu tố môi trường độ ẩm - nhiệt độ, trình độ quản lý định hướng quan chủ quản, khai thác cơng trình Vì vậy, nội dung nghiên cứu đề tài giai đoạn thực cần thiết, báo cáo kết đề tài tài liệu tham khảo tốt, dẫn tốt cho quan quản lý khai thác cầu Mục tiêu đề tài: Phân tích đánh giá giải pháp tăng cường kết cấu nhịp cầu bê tông cốt thép đường ô tô sở tiêu chí lực chịu tải, tuổi thọ, quy trình cơng nghệ thi cơng, giá thành, điều kiện khai thác Đề xuất dẫn đánh giá khả chịu tải kết cấu nhịp cầu đường ô tô theo Sổ tay đánh giá cầu AASHTO LRFR 2011 phù hợp với cắm biển tải trọng theo Quy chuẩn QCVN 41:2012 mà Bộ Giao thông Vận tải ban hành Đối tượng nghiên cứu: Cầu dầm bê tông cốt thép thường cầu dầm bê tông dự ứng lực giản đơn đường ô tô Phạm vi nghiên cứu: Các giải pháp tăng cường kết cấu nhịp nhằm phục vụ cho công tác cắm biển tải trọng theo quy chuẩn QCVN 41: 2012 Nghiên cứu áp dụng công nghệ tăng cường dán sợi bon, dự ứng lực ngồi phù hợp với điều kiện cơng nghệ Việt Nam, u cầu đảm bảo thơng xe bình thường q trình thi cơng Cách tiếp cận: Đề tài tập trung giải toán thực tiễn đánh giá lực chịu tải cầu phục vụ cho cắm biển tải trọng Cách tiếp cận bắt đầu xây dựng mơ hình lý thuyết, triển khai thực nghiệm phịng thí nghiệm trường; phân tích tính toán áp dụng Phương pháp nghiên cứu: Phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với đo đạc thực nghiệm trường, sở từ mơ hình vật liệu đến mơ hình kết cấu triển khai ứng dụng thực tiễn CHƯƠNG NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ CÁC GIẢI PHÁP TĂNG CƯỜNG KẾT CẤU CẦU BÊ TÔNG CỐT THÉP 1.1 Thực trạng dạng kết cấu nhịp bê tông cốt thép khai thác Việt Nam Trong hệ thống giao thông đường sắt đường nước ta, cầu bê tông cốt thép chiếm tỷ lệ lớn, tới 70% so với số cầu Việt Nam Mặt khác, trải qua chiến tranh, đất nước bị chia cắt thời gian dài nên dạng kết cấu nhịp cầu nước ta có đặc thù riêng theo khu vực Bắc, Trung Nam, theo tỉnh theo tuyến đường giao thông Quốc lộ 1A, đường sắt thống nhất, Quốc lộ 2, Quốc lộ 3, miền Bắc Quốc lộ 1, Quốc lộ 80, Quốc lộ 91, Miền Nam Các đặc điểm hệ thống cầu bê tơng cốt thép là: đa dạng chủng loại, đa dạng khổ cầu, tải trọng cấu tạo mặt cắt ngang, thời gian xây dựng giai đoạn khác nhau, thiết kế thi công theo nhiều tiêu chuẩn khác nhau: Pháp, Mỹ, Liên Xô, Trung Quốc, Úc, Châu Âu Việt Nam Mặt khác, nhiều cầu trải qua chiến tranh, mục tiêu bị đánh phá nên số cầu sử dụng, nhiều cầu dạng phục hồi sửa chữa Các dạng hư hỏng cầu bê tông nước ta Các hư hỏng nứt loại hư hỏng phổ biến cầu bê tơng cốt thép Các vết nứt có nhiều loại, tượng co ngót, thay đổi nhiệt độ, chịu lực lớn Sự xuất vết nứt kết cấu bê tông cốt thép, chưa hoàn toàn người ta coi hư hỏng, có mặt hình dạng ln ln địi hỏi phải ý theo dõi chúng biểu dẫn đến hư hỏng thực Các kết cấu nhịp liên tục thi công theo công nghệ đúc đẩy đúc hẫng xây dựng nước ta thời gian khoảng chục năm trở lại nên hư hỏng gây nguy hiểm đến độ an tồn cơng trình cịn chưa xảy ra, hư hỏng phổ biến loại chủ yếu nứt thi công chưa tuân thủ quy trình bảo dưỡng bê tơng hay bố trí cốt thép thường mặt cầu chưa hợp lý Các hư hỏng không nguy hiểm không sửa chữa kịp thời ảnh hưởng tới tuổi thọ cơng trình sau Các ngun nhân gây hư hỏng cầu bê tông cốt thép Sự hư hỏng cầu bê tông cốt thép bê tông dự ứng lực ngun nhân sau: - Nguyên nhân trình xuống cấp vật liệu; - Nguyên nhân thiết kế; - Nguyên nhân thi cơng; - Ngun nhân q trình sử dụng Trong nguyên nhân kể trên, nguyên nhân thiết kế, nguyên nhân thi công trình sử dụng ngun nhân khơng phải lúc xảy kết cấu cơng trình Sự hư hỏng kết cấu nhịp cầu nguyên nhân gây chủ yếu hư hỏng nứt, công việc sửa chữa cầu trường hợp mang tính lựa chọn giải pháp sửa chữa kết cấu khơng phải mang tính lựa chọn giải pháp vật liệu Đề tài sâu vào việc phân tích ngun nhân trên, để từ làm sở cho việc nghiên cứu tìm kiếm vật liệu công nghệ sửa chữa phù hợp 1.2 Các giải pháp tăng cường kết cấu nhịp cầu bê tông cốt thép giới Việt Nam Hiện nay, có nhiều phương pháp gia cường kết cấu nhịp cầu cơng trình bêtơng cốt thép ứng dụng thực tế giới như: - Thêm cốt thép: Nếu cần tăng khả chịu lực không nhiều, chừng 10-15%, nên đặt thêm cốt thép chủ chịu kéo đáy dầm - Sử dụng vật liệu bê tông polyme cốt sợi: Việc đưa sợi vào hỗn hợp BTCT tạo nên vật liệu có độ bền cường độ cao BTCT thường Việc thêm sợi ngắn vào hỗn hợp xi măng-nướccốt liệu (bê tơng) có tác dụng khống chế vết nứt làm tăng độ dai vật liệu - Tăng cường cầu dán thép - Tăng cường cầu dự ứng lực - Tăng cường cầu sử dụng loại vật liệu sợi cường độ cao FRP 1.2.1 Phương pháp dùng thép gia cường (dán thép) Đây phương pháp dán thêm nhiều thép vào phía ngồi mặt chịu kéo kết cấu bê tông Yêu cầu phương pháp phải đảm bảo thép dán làm việc phận cốt thép chịu kéo Bản thép có chiều dày khoảng 10 – 40mm dán chất kết dính Keo dán thép loại keo công nghiệp chế tạo sẵn có chất lượng đảm bảo Khơng sử dụng loại keo tự pha chế, thường sử dụng keo epoxy Đặc điểm chất kết dính epoxy: vật liệu hỗn hợp bao gồm thành phần nhựa epoxy, chất hố dẻo, chất độn, chất hoá rắn Bản thép loại thép CT3 tương đương có chiều dài tuỳ theo thiết kế phù hợp với kích thước phận kết cấu BTCT cần sửa chữa Có thể dán thép dọc theo đáy dầm để cải thiện khả chịu mô men ngăn ngừa vết nứt ngang Có thể dán thép nghiêng bề mặt thẳng đứng thành dầm để tăng cường cho cốt thép xiên cốt đai chịu lực cắt ngăn ngừa vết nứt xiên Cũng dán thép nằm ngang theo hướng ngang cầu đáy để tăng khả chịu lực mặt cầu 1.2.2 Phương pháp dùng dự ứng lực căng Phương pháp nhằm mục đích sử dụng lực căng cáp dự ứng lực giảm ứng suất kéo cho kết cấu bê tông Phương pháp sử dụng cho kết cấu BT DƯL để thay phần toàn dự ứng lực cũ, tạo dự ứng lực cho dầm bê tông cốt thép không dự ứng lực từ trước liên tục hoá dầm đơn giản thành hệ thống dầm liên tục Cốt thép dự ứng lực đặt bên ngồi bê tơng, chúng truyền lực nến lên bê tơng thơng qua vị trí neo, ụ chuyển hướng Cốt thép dự ứng lực bảo vệ ống HDPE có bơm sáp để bảo vệ chống rỉ Nguyên lý thép dự ứng lực tương tự kết cấu bê tông dự ứng lực thông thường, nghĩa là, việc sử dụng lực dọc trục mô men ngược dấu tải trọng làm tăng sức kháng uốn dầm nâng cao lực chống nứt Các ảnh hưởng làm tăng cường khả chống cắt kết cấu Việc đánh giá xác khả chịu uốn cắt dầm bê tông sử dụng thép dự ứng lực khơng dính bám ngồi mặt cắt khó khăn Lý lực thép hàm số phụ thuộc vào đặc tính ứng xử toàn dầm phụ thuộc vào phân bố biến dạng mặt cắt Hiệu ứng thứ cấp, ví dụ thay đổi độ lệch tâm thép tác dụng biến dạng dầm khó định lượng Các tiêu chuẩn tài liệu chưa đưa công thức chung dễ áp dụng mà chủ yếu đưa cơng thức thức thực nghiệm dựa kết thí nghiệm Hệ thống neo sử dụng tăng cường tương tự hệ thống neo sử dụng kết cấu bê tông dự ứng lực thông thường Các neo cố định phận khác mặt cầu ví dụ khối đầu dầm, dầm ngang, sườn dầm hay cánh Đối với dầm bê tông cốt thép hay bê tông dự ứng lực, tao thép dự ứng lực đặt bê cánh hay sườn dầm tùy thuộc vào yêu cầu thiết kế Trong dầm hộp, neo bố trí bên lòng hộp để đảm bảo mỹ quan đồng thời tăng thêm vài cấp độ bảo vệ mơi trường Các bó cáp thường có dạng thẳng hay gẫy khúc Các điểm chuyển hướng thường làm thép Các đoạn cáp thẳng ngắn nghiên cứu áp dụng trường hợp mà không cần tới ụ chuyển hướng Đây phương pháp tăng cường cầu BTCT đạt hiệu cao địi hỏi trình độ cơng nghệ cao áp dụng rộng rãi giới 1.2.3 Phương pháp sử dụng loại vật liệu composite sợi cường độ cao FRP Fiber Reinforced Polymer (FRP) vật liệu composite bao gồm ma trận Polymer gia cường sợi Các sợi thường sợi thủy tinh, carbon, aramid; polymer chất kết dính epoxy Khi nói đến FRP phải xác định vật liệu Composite bao gồm chất kết dính epoxy sợi làm việc đồng thời chứa không xét sợi riêng chất kết dính epoxy Mục đích cơng tác thi công sửa chữa gia cố kết cấu bê tông cốt thép FRP đặt FRP vào vị trí cần tăng cường khả chịu lực với hướng sợi phù hợp với phương chịu lực để tận dụng khả chịu kéo độ bền sợi FRP, đồng thời phải đảm bảo cho FRP không bị tách lớp tách khỏi bề mặt bê tơng Thơng thưịng việc thi cơng FRP gồm bước: chuẩn bị sửa chữa bề mặt bê tông, sơn lót tăng cường độ bám dính, trét phẳng bề mặt, phủ keo nhựa dán, đặt dán lên lớp keo, chờ lớp keo khô với thời gian quy định dán lớp tiếp theo, cuối đợi cấu kiện khơ hồn tồn sơn phủ bảo vệ thẩm mỹ Hiện phổ biến hai phương pháp thi công loại vật liệu (sheet) vải (fabric) FRP: dán theo phương pháp khô (dry lay-up) dán theo phương pháp ướt (wet lay-up) 1.3 Cơ sở đề xuất hướng nghiên cứu Về công nghệ dán sợi carbon: Việt Nam chưa có tiêu chuẩn hay quy định dán sợi cụ thể, dẫn đến việc chất lượng thi cơng chưa đảm bảo Nhiều cơng trình sau dán sợi thời gian xuất hiện tượng bong tróc sợi chứng tỏ dính bám sợi carbon với phần bê tông Điều làm ảnh hưởng đến làm việc chung sợi với kết cấu, dẫn đến hiệu tăng cường cầu Vì vậy, cần nghiên cứu áp dụng cơng nghệ dán sợi có chất lượng cao để đảm bảo hiệu công tác tăng cường Hiện giới có số cơng nghệ dán sợi đảm bảo tính dính bám cao, cơng nghệ dán hỗ trợ bơm hút chân không VARTM (Vacuum Assisted Resin Transfer Molding) Ngồi ra, việc xây dựng mơ hình tính tốn biện pháp tăng cường nói thực cần thiết nhằm đưa mơ hình xác hợp lý cho dạng KCN cầu, trạng KCN nhu cầu phát triển tải trọng Hiện nay, việc tính tốn tăng cường dán sợi FRP chủ yếu dựa ACI 440.2R-08, tính tốn tính cho dầm đơn chưa xét làm việc không gian hệ KCN Trên sở mơ hình tính tốn đó, giải pháp tăng cường đánh giá lựa chọn áp dụng cách hiệu nhằm mục đích nâng cao tải trọng khai thác; thống cắm biển hạn chế tải trọng theo QCVN 41:2012 Hướng dẫn đánh giá cầu AASHTO LRFR 2011 Bộ giao thông vận tải cho phép áp dụng tiến tới bỏ biển hạn chế tải trọng đồng thời đảm bảo độ bền lâu cho cơng trình CHƯƠNG NGHIÊN CỨU, XÂY DỰNG MƠ HÌNH TÍNH TỐN TĂNG CƯỜNG KẾT CẤU 2.1 Mơ hình tính tốn kết cấu tăng cường dán thép (sợi bon) Về mặt nguyên lý tăng cường sử dụng sợi carbon hay thép có điểm chung Sự giống bổ sung thêm vật liệu chịu kéo vào mặt cắt ngang kết cấu, vật liệu tăng cường coi dính bám tuyệt bê tông làm việc với bê tông đến trạng thái giới hạn chúng Các vật liệu tăng cường (thép, carbon) có cường độ kéo đứt lớn bổ sung phần chịu kéo chịu cắt Sự khác biệt mơ hình tính tốn liên quan đến sử dụng công nghệ thi công khác nhau, thơng số vật liệu đầu vào khác ví dụ như: thép có mơ đun đàn hồi lớn cường độ thường thấp composite cốt sợi carbon Sự dính bám thép hay composite vào bê tông khác công nghệ bề mặt tiếp xúc khác 2.2 Xây dựng mơ hình tính toán kết cấu tăng cường dán sợi các-bon theo công nghệ bơm hút chân không (VARTM) Công nghệ tăng cường dầm phương pháp bơm keo theo phương pháp hút chân khơng VARTM có ngun lý sau: Keo epoxy trộn với chất liên kết phụ gia (nếu có) lưu bình chứa (catalyzed resin) Sợi carbon (carbon preform) định hình theo khn (mold) ép chặt lên khn áp suất chân khơng khơng gian kính khuôn PE (vacuum bag) liên kết với dải băng keo (sealant band) Khơng gian kín PE khuôn hút đến áp suất chân không hệ thống bơm chân không (vacuum pump), van điều khiển (shut-off valve) Dưới tác dụng áp suất chân không, keo theo ống hút (inlet) lan chuyền toàn sợi, lấp toàn lỗ rỗng Để đảm bảo an toàn cho thiết bị hút chân khơng tránh keo chảy vào máy hút, bình thu keo (resin cacher) sử dụng để nối máy hút chân khơng khn 2.3 Xây dựng mơ hình tính tốn kết cấu dự ứng lực ngồi Giả thiết tính tốn kết cấu bê tơng dự ứng lực ngồi dựa trạng thái giới hạn mà cịn xem xét thơng số vật liệu tính toán kết cấu trạng thái giới hạn sử dụng cường độ Kết cấu vật liệu làm việc trạng thái đàn hồi Vật liệu kết cấu phải xem xét, thay đổi tuyến tính tới giới hạn đàn hồi Kết cấu dự ứng lực tính tốn trạng thái giới hạn sử dụng tính tốn theo vài phương pháp khác kết cho tương tự 2.4 Xây dựng phần mềm mô làm việc kết cấu sau tăng cường Áp dụng tính tốn mơ KCN cầu tăng cường DƯL ngồi với phương pháp phần tử hữu hạn phần mềm Midas/Civil Mơ hình xây dựng cho KCN dẫn 33m cầu Linh Cảm (tỉnh Hà Tĩnh) Hình 2.1 Mơ hình KCN tăng cường DƯL CHƯƠNG NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM CÁC GIẢI PHÁP TĂNG CƯỜNG KẾT CẤU NHỊP 3.1 Xây dựng mơ hình thí nghiệm kết cấu tăng cường phịng thí nghiệm Dầm thí nghiệm bao gồm bốn dầm bê tơng cốt thép với kích thước dầm 2200x220x120mm, chế tạo để thí nghiệm theo cơng nghệ VARTM Kết thí nghiệm đo bao gồm thời gian lan truyền epoxy lớp sợi tương ứng với quãng đường mà keo lan truyền Do đó, với qng đường lan truyền keo Hình 3.1 tổng thời gian lan truyền tham số quan trọng để đánh giá việc bố trí đầu bơm hút cơng nghệ có hợp lý hay khơng keo có bị tăng độ nhớt, chí đến đóng rắn q trình bơm hay khơng Hình 3.1 Đo thời gian bơm keo theo phương dọc (dầm số 1) 3.2 Phân tích, xử lý số liệu đánh giá độ tin cậy công nghệ Qua quan sát đo đạc thông số cho thấy, dầm số 1, chiều dài bơm keo lớn, phải bơm hai lần, lần hai phải chờ keo lần đơng cứng, đó, bố trí điểm bơm hút không thỏa mãn công nghệ Đối với ba dầm lại, keo lan truyền theo sơ đồ chiều, lưỡi chất lỏng không phụ thuộc vào hướng xoay dầm chứng tỏ ảnh hưởng trọng lực không đáng kể đến dòng chảy keo Kết lý thuyết thực nghiệm phù hợp với Công nghệ tăng cường dầm bê tông bơm theo phương ngang hợp lý Sau keo epoxy đông cứng, tháo lớp PE truyền keo cho thấy chất lượng dính bám composite lên kết cấu tốt Không thể tách rời composite tay hay thiết bị thô sơ khỏi bê tơng Tấm carbon khơng dính chặt kết cấu mà ép chặt vào chỗ lồi lõm bề mặt bê tông hữu tác dụng ép chặt áp suất chân không Giải pháp bơm keo cho thấy khả đáp ứng tốt bề mặt bê tông chất lượng xấu thực tế tăng cường 3.3 Thử nghiệm uốn kết cấu dầm tăng cường Để đánh giá khả dính bám khả tăng cường giải pháp cơng nghệ, thí nghiệm uốn bốn điểm tiến hành Phương pháp thí nghiệm uốn sử dụng kiểu thí nghiệm uốn bốn điểm hai điểm gối kê cố định Kết thí nghiệm tiến hành năm dầm Hình 3.2 Bốn dầm lại tăng cường cho thấy hiệu tăng cường mô men đạt yêu cầu nhu cầu tăng cường nhu cầu tăng cường cầu bê tông (từ 16% đến 52% tăng mơ men) Hình 3.2 Biểu đồ kết thí nghiệm tương quan lực độ võng CHƯƠNG ĐÁNH GIÁ KHẢ CHỊU TẢI CỦA KẾT CẤU NHỊP CẦU SAU TĂNG CƯỜNG THEO AASHTO LRFR 2011 VÀ THIẾT KẾ CÔNG NGHỆ 4.1 Xây dựng phương pháp đánh giá kết cấu sau tăng cường theo AASHTO LRFR 2011 Đánh giá tải trọng cầu tạo nên sở để xác định khả chịu tải an toàn cầu Đánh giá tải trọng yêu cầu đánh giá mang tính kĩ thuật việc xác định giá trị đánh giá áp dụng để trì việc khai thác cầu cách an toàn dẫn đến định cắm biển cấp phép Quy trình đánh giá tải trọng theo AASHTO LRFR 2011 trình bày chi tiết Phục lục 01 báo cáo 4.2 Đề xuất cắm biển tải trọng theo QCVN 41:2012 Thông thường cầu đánh giá tải trọng với xe tải AASHTO tải trọng để xác định tải trọng chủ đạo mức đánh giá chủ đạo Khả chịu tải an toàn theo tính cho loại xe Các loại xe hợp pháp AASHTO gọi Loại 3, Loại 3S2, Loại 3-3, đại diện cách đầy đủ cho cấu hình xe tải trung bình dùng 10 chúng dùng làm mơ hình để đánh giá tải trọng Những xe thích hợp cho mục đích cắm biển tải trọng Kiến nghị lấy loại xe hợp pháp 3, 3S2, 3-3 làm xe tải tiêu chuẩn đánh giá cầu Việt Nam, tương đương xe 3, 3S2, 3-3 theo AASHTO 2011 xe theo thống kê Cục Đăng kiểm Việt Nam tiến hành đánh giá cắm biển tải trọng xe kết hợp biển 106(a) biển số 505(b) theo QCVN41:2012/BGTVT Hình 4.1 Biển số 106(a) Hình 4.2 Biển số 505(b) Xây dựng phần mềm cắm biển tải trọng cầu theo QCVN41:2012 Phần mềm lập trình để tính tốn cắm biển tải trọng cho kết cấu cơng trình cầu trước sau tăng cường cáp dự ứng lực theo quy định quy chuẩn QCVN41:2012 Chương trình CB 1.0 viết ngôn ngữ Matlab Cấu trúc chương trình bao gồm: - Các chương trình con: Nhập số liệu tính tốn gồm tham số kích thước hình học cầu, tính chất vật liệu , xuất liệu files kết - Chương trình chính: liên kết chương trình thực q trình tính tốn theo thuật tốn lập Chương trình CB 1.0 cho phép thực nội dung sau : - Tính tốn nội lực tĩnh tải hoạt tải gây dầm - Tính tốn biển tải trọng trước sau tăng cường phương pháp dự ứng lực 11 Hình 4.3 Giao diện chương trình CB 1.0 4.3 Giới thiệu giải pháp thiết kế công nghệ tăng cường kết cấu nhịp 4.3.1 Giải pháp tăng cường DƯL-N Công nghệ tăng cường kết cấu nhịp DƯL-N gắn liền với thi công: dầm ngang neo; dầm chuyển hướng; công nghệ căng cáp đảm bảo ổn định Giải pháp bố trí đường cáp dự ứng lực ngồi: có hai dạng: đường thẳng đường gẫy khúc 4.3.2 Giải pháp tăng cường dán sợi composite Công nghệ thi công dán sợi FRP vào kết cấu nhịp gồm có cơng nghệ: - Cơng nghệ dán khô - Công nghệ dán ướt - Công nghệ dán hút chân không VARTM 4.4 Một số dẫn cơng nghệ, thí nghiệm thiết kế kết cấu nhịp sau tăng cường 4.4.1 Đối với phương án DƯL-N Yêu cầu cho công tác thi công tăng cường kết cấu nhịp phương pháp thi công, yêu cầu thi công, ván khuôn… phải tuân thủ chặt chẽ theo yêu cầu thi cơng tiêu chuẩn Trình tự thi công hạng mục tăng cường kết cấu nhịp sau: + Bổ sung dầm ngang, + Căng kéo cáp DƯL ngang + Lắp đặt cáp DƯL dọc căng kéo cáp DƯL dọc 12 4.4.2 Đối với phương án dán sợi Trong trình thi cơng, vật liệu FRP chưa đóng rắn, cần cấm xe qua lại cầu Trong trường hợp lưu lượng xe đông, phải bắt buộc thông xe để tránh ùn tắc, nhà thầu cần tổ chức dẫn, phân xe chạy sang phần kết cấu nhịp chưa thi cơng, thi cơng hồn thành; trường hợp bắt buộc phải chạy thi công, yêu cầu xe chạy với vận tốc không 5km/h Không hãm phanh, tăng tốc đột ngột cầu Cho xe qua nhịp Hệ thống FRP sau đóng rắn cần đánh giá mức độ phân tách lớp FRP bê tông Hiện tượng tách lớp xác định thông qua phương pháp dò âm (bằng thiết bị gõ tiêu chuẩn), phương pháp siêu âm phương pháp đo nhiệt độ CHƯƠNG ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ GIẢI PHÁP TĂNG CƯỜNG TRÊN MỘT CƠNG TRÌNH CẦU THỰC TẾ 5.1 Đánh giá kết cấu nhịp khả chịu tải trọng Công trình cầu Linh Cảm tiến hành sửa chữa tăng cường phương án DƯL-N vào tháng 11/2016 đến tháng 1/2017 Sau cơng trình kiểm định lại vào tháng 4/2017 Kết tính tốn đánh sau: - Kết cấu nhịp cầu khai thác với hoạt tải 1,12 HL93 cấp thiết kế 1,45 HL93 cấp khai thác - Kết cấu nhịp cầu khai thác với hoạt tải 1,9 Xe 3, 1,61 Xe 3S2; 1,58 Xe 3-3 Do đó, cầu khai thác với tải trọng HL93 không cần cắm biển hạn chế tải trọng cho cơng trình cầu 5.2 Đánh giá kết cấu độ bền lâu Vật liệu FRP ngày sử dụng rộng rãi tăng cường sửa chữa kết cấu nhịp cầu BTCT thời gian vừa qua Việt Nam Tuy nhiên chưa có nghiên cứu nước tiến hành để đánh giá độ bền vật liệu FRP kết cấu tăng cường FRP Trong phạm vi nghiên cứu này, đề tài tham khảo thí nghiệm độ bền FRP tác giả Ramos (Đại học Alabama, Hoa Kỳ) Kết nghiên cứu cho thấy cường độ tới hạn mẫu đối chứng chế tạo theo phương pháp VARTM lớn 12% so với mẫu đối chứng chế tạo theo phương pháp thủ công Kết khẳng định lại kết nhà 13 nghiên cứu trước đó, phương pháp VARTM thực dán FRP cho chất lượng tốt Ưu điểm giảm mẫu tuân theo quy trình thử nghiệm gia tốc có điều kiện Cường độ mẫu VARTM lớn so với mẫu chế tạo thủ công sau tiếp xúc với môi trường khắc nghiệt suy giảm cường độ so với ban đầu lớn Mẫu chế tạo thủ cơng trì cường độ tốt 3-4% so với mẫu chế tạo theo phương pháp VARTM Các thí nghiệm cho thấy 70% cường độ trì cho tất điều kiện tác động môi trường trừ mẫu chế tạo theo phương pháp VARTM môi trường nhiệt ẩm theo quy trình gia tốc có điều kiện, mức 67% Giới hạn 70% cường độ lại khuyến cáo cho sợi CFRP để cải thiện khả chống lại môi trường ẩm ướt (ACI 2012) Phương pháp VARTM cho thấy việc dán sợi FRP tốn nhựa VARTM đẩy ẩm ngồi khoảng bê tông sợi cho cường độ tốt không tiếp xúc với yếu tố mối trường khắc nghiệt, để lại nhựa phủ bảo vệ sợi FRP khỏi tác động mơi trường Các mẫu VARTM làm việc tốt áp suất chân không thấp áp dụng trình chế tạo, cho phép nhựa giữ lại nhiều để bảo vệ FRP 5.3 Đánh giá hiệu kinh tế - kỹ thuật hai phương án tăng cường Qua phân tích, đánh giá tiêu kinh tế-kỹ thuật công nghệ chế tạo, thi công gia cường cho KCN 33m, phương án sử dụng DƯL-N phương án dán sợi FRP có ưu nhược điểm riêng, nên tùy vào điều kiện cụ thể công trình mà ta có phương án gia cường hợp lý Cụ thể, với trường hợp cần đảm bảo giao thơng cầu q trình gia cường cường độ bê tơng kết cấu dầm khơng có cường độ tốt nên xem xét sử dụng phương án gia cường KCN dán sợi FRP; với trường hợp bê tơng sử dụng KCN cịn đủ cường độ không yêu cầu cao hạn chế gián đoạn giao thơng cầu ta nên xem xét sử dụng phương án gia cường DƯL-N, tăng cường đáng kể sức kháng KCN giá thành lại rẻ so với phương án dùng sợi dán 14 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận: Đề tài nghiên cứu giải pháp tăng cường KCN cầu bê tơng, tiến hành thực nghiệm công nghệ tăng cường dán sợi carbon bơm hút chân không (VARTM) – công nghệ tiên tiến Kết thí nghiệm phòng cho thấy chất lượng dán sợi tốt Đã tiến hành thí nghiệm uốn dầm tăng cường theo công nghệ VARTM Kết ban đầu cho thấy với dầm tăng cường lớp sợi hiệu tăng cường 16-18%, với dầm tăng cường lớp sợi hiệu tăng cường 26-33% Xây dựng mơ hình PTHH phân tích ứng xử mơ dầm BT sau tăng cường dự ứng lực ngồi Mơ hình cho phép phân tích nội lực, ứng suất biến dạng dầm tác dụng tải trọng bên hiệu ứng dự ứng lực gây Ngoài ra, đề tài xây dựng phần mềm tính tốn cắm biển tải trọng CB1.0, bước đầu dạng đơn giản cho phép tính tốn để cắm biển tải trọng cho KCN cầu dầm bê tông nhịp giản đơn Đã tiến hành kiểm định, đo đạc đánh giá hiệu tăng cường dự ứng lực ngồi KCN cầu cụ thể nhịp dẫn cầu Linh Cảm Kết đánh giá cho thấy hiệu tăng cường KCN tốt Phương án dán sợi có ưu điểm thi cơng thuận tiện, đơn giản nhiên tăng phần sức kháng uốn mặt cắt (khoảng 4% dầm 33m) Trong đó, phương án DƯL-N có khả tăng cường sức kháng uốn lớn Đã đề xuất dẫn đánh giá khả chịu tải KCN cầu đường theo Sổ tay đánh giá cầu AASHTO LRFR 2011 cắm biển tải trọng theo QCVN 41: 2012 Đã xây dựng Bộ hồ sơ vẽ thiết kế thi công tăng cường KCN DƯL-N Kiến nghị: Về giải pháp công nghệ liên quan tới dính bám: cải thiện khả bơm keo theo chiều dọc, tiến hành thực nghiệm công nghệ VARTM kết cấu thực Nâng cấp, hồn thiện mơ hình PTHH, xét đến tính phi tuyến vật liệu kết cấu (ví dụ mơ hình dầm bị nứt, sau tăng cường dự ứng lực ngồi, phân tích hiệu tăng cường) 15