T ổ ng quan
Hiện nay trên thế giới đa phần các cầu vượt nhịp lớn đều làm bằng kết cấu thép do những ưu điểm vượt trội về khảnăng chịu lực, kết cấu nhẹcũng như rất đẹp về mỹ quan Ở Việt Nam thì các cầu lớn bằng kết cấu thép được xây dựng từ thời gian trước rất nhiều phải kể đến như cầu cầu Long Biên (Hà Nội),
Nguyễn Văn Trỗi (Đà Nẵng), cầu Chương Dương, cầu Đuống (Hà Nội), cầu Hàm Rồng (Thanh Hóa), cầu Tràng Tiền (Huế)…
Hình 1.1 Cầu Long Biên –Hà Nội [17]
Hình 1.2 Cầu Tràng Tiền – Huế [18]
Hình 1.3 Cầu cảng Sydney – Australia [19] Đa phần các cầu vượt đường sắt thường làm bằng cầu kết cấu thép Tuy nhiên do chi phí bao gồm chi phí xây dựng và chi phí bảo trì cao hơn rất nhiều so với cầu BTCT nên ở Việt Nam hiện nay phần lớn là xây dựng cầu BTCT Đối với cầu kết cấu thép có lẽ nhược điểm lớn nhất đó là vấn đề độ bền theo thời gian cho dù hiện nay đã có rất nhiều công trình nghiên cứu sản xuất sơn bảo vệ kết cấu thép chống lại tác động môi trường Độ bền kết cấu cầu thép phụ thuộc nhiều vào tác động môi trường nhưng để đánh giá độ bền của nó qua thời gian sử dụng thì rất khó khăn bởi vì khí hậu ở
Việt Nam phân hóa đa dạng và biến động mạnh theo từng năm Trên cả nước hình thành các miền và vùng khí hậu khác nhau rõ rệt Miền khí hậu Phía Bắc có mùa đông lạnh, tương đối ít mưa và nửa cuối mùa đông rất ẩm ướt, mùa hạ nóng và mưa nhiều Miền khí hậu phía Nam có khí hậu cận xích đạo, nhiệt độ cao quanh năm, có 1 mùa mưa và 1 mùa khô Khu vực Đông Trường Sơn bao gồm phần lãnh thổ Trung Bộphía đông dãy Trường Sơn, từ Hoành Sơn tới Mũi Dinh có mùa mưa lệch hẳn về thu đông Khí hậu biển Đông Việt Nam mang tính chất gió mùa nhiệt đới hải dương Ngoài đặc trưng vùng thì khí hậu nước ta rất thất thường biến động mạnh qua các năm Năm rét sớm, năm rét muộn, năm mưa lớn, năm khô hạn, năm ít bão, năm nhiều bão
Do vậy cần rất nhiều nghiên cứu đủ sâu và rộng trên khắp vùng miền đất nước vềtác động của môi trường đến kết cấu thép Cụ thểhơn là vấn đềăn mòn kết cấu thép do tác động môi trường Các nghiên cứu này sẽ xây dựng được nguồn dữ liệu đủ lớn giúp cho các đơn vị quản lý cầu đưa ra các giải pháp bảo trì sửa chữa phù hợp
Việc chọn đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng ăn mòn dầm thép đến ứng xử của cầu giàn thép”là nghiên cứu vềgiàn thép Pony của Phà Cát Lái ở khu vực
Quận 2, Thành phố HồChí Minhcũng là một trong những nghiên cứu nhằm bổ sung thêmcác dữ liệu quan trọng vào thư viện dữ liệu lớn của cảnước.
M ục tiêu nghiên cứ u
Đối với cầu kết cấu thép có lẽnhược điểm lớn nhất đó là vấn đềđộ bền theo thời gian cho dù hiện nay đã có rất nhiều công trình nghiên cứu sản xuất sơn bảo vệ kết cấu thép chống lại tác động môi trường Khi kết cấu bịtác động điều kiện môi trường dẫn đến kết cấu bị gỉ sét và tiết diện chịu lực không còn được như ban đầu Nên khả năng chịu lực cầu sẽ bị giảm Lâu dần nếu không thay thế hoặc khắc phục dễ dẫn tới công trình cầu bịhư hỏng nặng và bị gãy đổ Vậy thì việc đánh giá mức độhư hỏng hàng năm cụ thểđây là mức độ mất dần tiết diện thép dẫn đến giảm khả năng chịu lực và thời gian là việc làm vô cùng quan trọng cho công tác đánh giá tổng quan ban đầu nếu muốn làm cầu kết cấu thép Đặc biệt hơn là giúp ích rất nhiều cho công tác quản lý, đánh giá, bảo trì cầu thép Khi xây dựng được mối quan hệ giữa thời gian và khả năng chịu lực cực hạn của tiết diện thép khi bị giảm dần tiết diện thì ta sẽ xác định được tuổi thọ cũng như thời gian để sửa chữa lớn công trình cầu thép.
Ph ạm vi nghiên cứ u
Nghiên cứu này tập trung vào việc đánh giá khảnăng chịu tải của cầu giàn thép thông qua ứng suất, chuyển vị và chu kỳ dao động của cầu khi kết cấu thanh giàn và dầm bị giảm tiết diện do ăn mòn trong quá trình sử dụng Trong nghiên cứu này lấy ví dụ điển hình là cầu giàn thép Pony được dùng cho bến phà Cát Lái Chiều dài giàn thép 30m.
Phương pháp nghiên cứ u
Để thực hiện mục tiêu trên, nghiên cứu sẽ tiến hành thu thập, tổng hợp và phân tích tài liệu để xác định ảnh hưởng của hư hỏng kết cấu thép do sự giảm yếu tiết diện đến khả năng chịu tải của cầu trong giai đoạn khai thác Sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn đánh giá khả năng khai thác của cầu giàn thép Trong nghiên cứu này, sử dụng phần mềm tính toán kết cấu Sap2000 V14 để mô hình tính toán kết cấu cầu giànthép Từđó rút ra một số kết luận liên quan.
Hƣ hỏng do ăn mòn kế t c ấu thép: Phân loại và nguyên nhân
2.2.1 Ăn mòn đồng đề u Ăn mòn hoặc rỉ đều trên khắp bề mặt kết cấu thép được hình thành do sắt kết hợp với oxy khi có mặt nước hoặc không khí ẩm Trên bề mặt sắt thép bị rỉ hình thành những lớp vảy rất dễ vỡ, thường có màu nâu, nâu đỏ hoặc đỏ Lớp rỉ này không có tác dụng bảo vệ sắt ở phía trong Chất xúc tác chính cho quá trình rỉ là nước Cấu trúc thép có vẻ chắc chắn nhưng các phần tử nước có thể xâm nhập vào các kẽ nhỏ của vết nứt, sự kết hợp của nguyên tửhidro có trong nước với các nguyên tố khác đểhình thành axít ăn mòn théplàm cho thép ngày càng giảm tiết diện Nếu trong môi trường nước biển, sự ăn mòn có thể xảy ra nhanh hơn Trong khi đó các nguyên tử oxy kết hợp với các nguyên tử sắt để hình thành oxít sắt hay rỉ sắt, chúng làm cho cấu trúc của sắt trở nên giòn và xốp Các thành phần này bao gồm các mạng dầm, các tấm ốp dọc, và các đường thẳng và đường chéo của giàn.
Hình 2.1 Hình ảnh kết cấu thép bịăn mòn đều trên bề mặt [3]
Hình 2.2 Hình ảnh ăn mòn điện hóa giữa tấm nhôm và bu lông thép [3] Ăn mòn điện hóa là ăn mòn kim loại không giống nhau được gây ra khi các kim loại có thành phần khác nhau được đặt cùng với sự có mặt của chất điện phân tạo ra dòng điện từ, với một trong những kim loại là cực dương và một là cực âm Ăn mòn điện hóa thường xảy ra trên cầu thép nơi cột đèn, tay vịn hoặc ống dẫn điện tiếp xúc với thép hoặc nơi thép mạ kẽm tiếp xúc với thép trần (như thép bị oxi hóa) Vật liệu cách điện là thường được đặt giữa các kim loại để ngăn chặn sự hình thành sự ăn mòn điện Ăn mòn điện hóa cũng có thể xảy ra trên thép nơi tiếp xúc lớp phủ của thép Ăn mòn điện hóa có lợi trong việc ứng dụng mạ kẽm lên thép Mục đích là kim loại kém bền hơn sẽ bị ăn mòn trong quá trình ăn mòn và phủlên bề mặt thép để chống ăn mòn bề mặt thép.
Hình 2.3 Hình ảnh ăn mòn khe hở giữa bản táp liên kết và thép góc [3] Ăn mòn khe hở là một hình thức ăn mòn cục bộ Nó được gây ra bởi sự khác biệt trong môi trường bên trong và bên ngoài khe hở, chẳng hạn như nồng độ của phần tử oxy hoặc phần tử ion kim loại Sự hiện diện của các ion clorua cũng thúc đẩy sựăn mòn khe hở Ăn mòn khe hở thường có thể được quan sát trực quan Ăn mòn khe hở là một trong những hình thức ăn mòn phổ biến nhất được tìm thấy trên cầu thép Nó xảy ra trong khoảng cách giữa kẻ hở bề mặt nhỏ tới vài phần nghìn cm Ăn mòn kẽ hở cũng có thể xảy ra giữa thép và các vật liệu khác, chẳng hạn như sàn gỗ hoặc tấm bê tông Những khoảng trống này thường được hình thành bởi sự liên kết ép mặt của bu lông không kín, hoặc đường hàn giữa 2 tấm thép bị hở Thép dựa vào màng oxit để bảo vệ, chẳng hạn như thép oxi hóa, đặc biệt dễ bị ăn mòn kẽ hở Những màng này bị phá hủy bởi nơi có nồng độ cao của các ion clorua hoặc hydro có thể xảy ra ởcác kẽ hở
Rỗ mặt thép là sự ăn mòn tập trung của hình thức ăn mòn kẽ hở gây ra bởi sự lắng cặn của chất lạđóng vai trò là lá chắn để tạo ra một không gian hạn chế hoạt động giống như một kẽ hở Những vị trí rỗ mặt cũng có thể giữ độ ẩm, cung cấp chất điện phân Rỗ mặt thép có thể được quan sát trực quan Rỗ mặt thường xuyên xảy ra trên các cây cầu tại các vị trí của các mảng có độ ẩm Các mảng thường bao gồm bụi bẩn trên đường hoặc rác thải đọng lại trên bề mặt nằm ngang do gió hoặc do nước thoát ra khỏi lòng đường Các mảng có thể có nguyên nhân từ vịtrí vùng hay khu vực đặc trưng, chẳng hạn như bụi than trong khu vực khai thác, ngũ cốc hoặc các sản phẩm phụ khác trong khu vực trang trại, hoặc muối từnước biển Gỉ tự nó hoạt động như một lắng cặn và thúc đẩy ăn mòn hơn nữa Một trong những loại lặng cặn khó chịu nhất đến từ yến sào và phân chim Nhiều vật liệu lắng đọng chứa các chất làm tăng tốc độăn mòn Ví dụ, các mỏ bụi than có chứa carbon, có thể gây ra sự ăn mòn điện hóa và các hợp chất lưu huỳnh, tấn công thép Phân chim có chứa axit làm hỏng các thành phần thép và lớp phủ bảo vệ
Hình 2.4 Hình ảnh ăn mòn rỗ bề mặt [3]
2.2.5 Ăn mòn dướ i l ớp màng
Hình 2.5 Hình ảnh ăn mòn do mặt tiếp xúc thép và màng sơn bị phá hoại [3]
Nó thường bắt đầu khi sơn bị hư hại về vật lý hoặc có khuyết tật trong lớp màng sơn Hình thức này của ăn mòn tấn công bề mặt giữa lớp phủ và kim loại Ăn mòn dưới lớp màng có thể được phân loại trực quan Ăn mòn dưới lớp sơn bắt đầu tại các vị trí có vết vỡ trong sơn Nó có thể xảy ra bất cứ nơi nào trên một cấu trúc và được coi là nứt, phồng rộp, hoặc bong tróc của sơn Kiểm tra lớp phủ tại các khu vực bị hư hỏng để xác định xem sơn phủ thường sẽ tiết lộ rằng một diện tích kim loại lớn hơn nhiều đã bịăn mòn.
Khuyết tật bề mặt là gây nên ăn mòn cục bộ, gây ra sự xâm nhập sâu, đôi khi hẹp vào bề mặt thép Sựhình thành của nó xảy ra khi có những thay đổi hóa học hoặc vật lý trong kim loại, chẳng hạn như sự không hoàn hảo trong luyện kim thép, tại các lỗ hổng bảo vệsơn, hoặc, phổ biến nhất, dưới các vật liệu lắng đọng Khuyết tật có thểđược xác định bằng mắt thường
2.2.7 Ăn mòn t ại đường hàn
Thường xảy ra ở các vị trí đường hàn không đạt tiêu chuẩn về việc kiểm soát nhiệt độ thích hợp Nguyên nhân xảy ra là do khi hàn thép đã giảm khả năng chống ăn mòn do nhiệt khi hàn làm thay đổi cấu trúc hạt của thép Sự thay đổi cấu trúc hạt này thường xuất hiện như một dải song song với các đường hàn, Các dải này rất dễ bị ăn mòn do cấu trúc hạt đã thay đổi Khi sử dụng lớp sơn phủ không đạt yêu cầu về chất lượng sẽ góp phần làm mối hàn bị ảnh hưởng Vấn đề này xảy ra thường xuyên hơn khi liên kết với thép mỏng, thép không gỉ và thép hợp kim nhưng đôi khi vẫn tìm thấy trong cấu trúc của thép Cacbon
Hình 2.6 Hình ảnh Đường hàn bị hỏng [3]
2.2.8 Ăn mòn do xói mòn Ăn mòn xói mòn sự ăn mòn bởi dòng chảy của chất lỏng trên bề mặt của thép với vận tốc rất lớn để loại bỏ các lớp phủ bảo vệ bề mặt thép hoặc loại bỏ các lớp oxit trên bề mặt kim loại Các hạt trong chất lỏng mài mòn bề mặt kim loại, làm mòn lớp phủ bề mặt trên các sản phẩm bảo vệ ăn mòn Điều này làm cho ăn mòn liên tục vào kim loại Việc xác định ăn mòn xói mòn có thể yêu cầu kiểm tra bằng kính hiển vi Thường xảy ra khi các kết cấu thép nằm ở dưới nước chịu dòng chảy thường xuyên.
2.2.9 Ăn mòn do ma sát
Nguyên nhân ăn mòn do ma sátlà sự chuyển động tương đối của các bề mặt tiếp xúc gần dưới tác dụng của tải trọng Ăn mòn không thể được xác định rõ ràng bằng mắt thường Trên các cầu thép có thểđược quan sát tại các khớp nối của thanh đỡ và ở các đầu thanh có các bề mặt tiếp xúc trượt khi có chuyển động của thanh kéo nhẹ Nó cũng có thể được tìm thấy tại các vị trí mà các bộ phận của cầu rung khi tải chạy qua như các vịtrí gối thép của cầu thép.
2.2.10 R ạ n n ứ t do ứ ng su ấ t và ăn mòn
Hình 2.7 Hình ảnh rạn nứt do ăn mòn ứng suất [3]
Hình 2.8 Hình ảnh Ăn mòn do đứt gãy bu lông [3]
Rạn nứt do ứng suất và ăn mòn là nứt do sự xuất hiện đồng thời của ứng suất kéo (có thể là dư hoặc sử dụng) và một môi trường ăn mòn Ăn mòn là nguyên nhân đầu tiên gây ra sự không liên tục trong kim loại đóng vai trò gây ra ứng suất kéo dẫn đến vết nứt Các vết nứt có thểlà giữa các hạt (xung quanh hạt) hoặc xuyên tâm (qua các hạt), nhưng thường xảy ra vuông góc với hướng ứng suất kéo Tùy thuộc vào loại thép và môi trường ăn mòn, vết nứt có thểđơn giản như một đường thẳng, nhưng có thể có nhiều nhánh Nứt do ăn mòn và ứng suất xuất hiện như một vết nứt giòn trong một kim loại dễ uốn khác Khi kiểm tra bằng kính hiển vi, sản phẩm ăn mòn có thể là tìm thấy trong các vết nứt Bề mặt kim loại liền kề thường làm không cho thấy bằng chứng về bất kỳ thiệt hại Nứt do ăn mòn ứng suất yêu cầu kiểm tra bằng kính hiển vi để nhận dạng Ăn mòn do ứng suất có thể xảy ra trong các cây cầu dưới tác dụng phụđiều kiện môi trường, như được tìm thấy trong các khu vực công nghiệp hoặc trong môi trường biển Một ví dụ về nứt ăn mòn ứng suất đã được quan sát trong một cấu trúc trong môi trường ăn mòn nơi các bu lông cường độ cao bị hỏng trong khi các thành phần được kết nối không cho thấy dấu hiệu ăn mòn Các bu lông, chịu kéo đến tải cực hạn (gần điểm giới hạn chảy của thép), các vết nứt vuông góc với tải trọng tác dụng làm giảm diện tích mặt cắt của bu lông cho đến khi bu lông bịkéo đứt Rạn nứt do ăn mòn và ứng suất cũng đã được quan sát trên dây và sợi trong cáp chính của cầu treo
2.2.11 R ạ n n ứt do ăn mòn do mỏ i Ăn mòn do mỏi là một loại nứt kim loại mỏi do ứng suất lặp lại hoặc dao động trong môi trường ăn mòn Cơ chế của sự ăn mòn mỏi tương tự như nứt ăn mòn ứng suất.
Phương pháp kiểm tra và đánh giá nguyên nhân hư hỏ ng
2.3.1 Phương pháp ki ểm tra đánh giá tổ ng quan
Sử dụng mắt thường quan sát và các thiết bị đơn giản đo đạc Đánh giá các mức độ gỉ theo bảng phân loại lập từtrước
Bảng 2.1 Tiêu chuẩn đánh giá mức độ gỉ sắt bằng mắt thường [12]
2.3.2 Phương pháp ki ểm tra đánh giá chi tiế t
Dùngphương pháp kiểm tra khuyết tật bằng siêu âm [13]
2.3.2.1 Tổng quan phương pháp kiểm tra bằng siêu âm Đây là phương pháp nghiên cứu về sự truyền sóng âm thanh trong các vật chất rắn nhằm phát hiện các hư hỏng khuyết tật như các vết nứt, lỗ rỗng, rỗ khí, các kết cấu không liên tục nằm bên trong vật liệu
Sóng âm gặp các hư hỏng khuyết tật sẽ phản xạ lại máy siêu âm bằng biểu đồ Ưu điểm của phương pháp này là đảm bảo an toàn và không ảnh hưởng đến cấu tạo của kết cấu
Hình 2.9 Dùng máy siêu âm khuyết tật [13]
Sóng âm: là sóng cơ truyền trong môi trường thể rắn, lỏng hoặc khí, nó không truyền được trong môi trường chân không Mỗi môi trường sóng âm truyền với vận tốc khác nhau Khi đến mặt phân cách giữa các môi trường chúng sẽ phản xạ lại hoặc truyền qua một phần
T ầ n s ố : là số lần lặp lại của một hiện tượng trên một đơn vị thời gian Để tính tần số rất đơn giản chỉ cần chọn một khoảng thời gian, đếm số lần xuất hiện của hiện tượng trong khoảng thời gian ấy, Lấy số lần xuất hiện chia cho khoảng thời gian đã chọn Chu kỳlà thời gian giữa hai lần xuất hiện liên tiếp của đỉnh sóng tại một điểm Con người có thể nghe được các âm thanh có tần số trong khoảng 20Hz đến 20.000Hz, trong khi các âm thanh ứng dụng để kiểm tra hư hỏng và khuyết tật nằm trong khoảng 500 KHz to 10 MHz gọi là siêu âm con người không thể nghe thấy
V ậ n t ố c: Là tốc độ lan truyền âm thanh trong môi trường truyền âm
Bước sóng: là khoảng cách ngắn nhất giữa hai điểm dao động cùng pha hay khoảng cách giữa hai đỉnh sóng, nơi sóng đạt biên độ lớn nhất
Công thức liên quan giữa bước sóng, tần sốvà vận tốc: c = f × (2.1)
Trong đó c là vận tốc (m/s), f là Tần sốđơn vị Hertz (Hz), là Bước sóng (m)
Bước sónggiúp chúng ta kiểm tra được thông tin thu nhận từsóng
Sóng dọc là sóng trong đó sự dịch chuyển của môi trường truyền sóng cùng hướng hoặc ngược hướng với hướng truyền của sóng Cũng có thể gọi là sóng nén bởi vì chúng nén và độ chân không trong khi di chuyển thông qua một phương tiện, ngoài ra còn gọi là sóng áp lực, bởi vì chúng làm tăng và giảm áp suất
Sóng ngang có hướng vuông góc với phương truyền sóng, nó một phương tiện để truyền qua
Các giới hạn truyền của sóng âm
Vật liệu cứng và đồng nhất khảnăng truyền âm sẽ tốt hơn vật liệu mềm và không đồng nhất Ba yếu tốchính ảnh hưởng đến khoảng cách truyền âm trong môi trường xác định trước: sự mở rộng chùm tia, độ suy giảm, và sựtán xạâm.
Phản xạở mặt phân cách: một phần sẽ phản xạ trở lại và một phần sẽ truyền qua Phần phản xạ trở lại hoặc hệ số phản xạ, liên quan đến âm trở tương đối của hai môi trường Hệ số phản xạ được biểu diễn bằng phần trăm của năng lượng áp suất truyền tới có thểtính bằng công thức:
(2.2) Trong đó Z 1 Âm trở của vật liệu thứ nhất, Z 2 Âm trở của vật liệu thứ hai, RE
Tỷ lệ phần trăm năng lượng phản xạ lại giữa hai môi trường
Tất cảnăng lượng âm phản xạ từhư hỏng khuyết tật khácđược thể hiện rất rõ trên trên đường truyền sóng âm
Bảng 2.2 Hệ sốnăng lượng phản xạsóng âm của một vài môi trường
Bề mặt Năng lượng phản xạ lại môi trường
Năng lượng truyền qua môi trường
Thép carbon –Thép không gỉ
Góc phản xạvà khúc xạ
Sóng âm phản xạ ở mặt phân cách thì góc tới bằng góc phản xạ Chùm tia tới vuông góc với bề mặt sẽ phản xạthì góc phản xạ bằng 90 0 trùng với hướng tia tới Còn chùm tia tới tạo với bề mặt dưới một góc thì sẽ phản xạ một góc như vậy
Công thức liên quan giữa góc tới và góc khúc xạ:
Trong đó 1 là góc tới cho vật liệu thứ nhất, 2 là góc khúc xạ cho vật liệu thứ 2, V1 là vận tốc âm trong vật liệu thứ nhất, V2 là vận tốc âm trong vật liệu thứ hai
Là thiết bị chuyển đổi qua lại giữa các dạng năng lượng nó được chuyển năng lượng từ dạng này sang dạng khác
Hình 2.10 Mặt cắt của đầu dò tiếp xúc điển hình [13] Đầu dò siêu âm thường được chia làm 5 loại như sau: Đầu dò tiếp xúc trực tiếp: Năng lượng sóng âm truyền vuông góc với bề mặt, được sử dụng đểphát hiện các khuyết tật và đo chiều dày.
Hình 2.11 Một đầu dò dạng tiếp xúc điển hình [13]
Hình 2.12 Một đầu dò góc với nêm điển hình [13] Đầu dò góc bao gồm các miếng nêm bằng nhựa hoặc epoxy Được dùng để kiểm tra các mối hàn Đầu dò trễ là đầu dò trễ kết hợp một phần dẫn sóng bằng nhựa, ngắn giữa biến tử và bề mặt kiểm tra để tăng độ phân giải gần bề mặt và cũng để sử dụng kiểm tra ở nhiệt độ cao
Hình 2.13 Đầu dò thẳng với nêm trễ [13]
Hình 2.14 Đầu dò nhúng dạng cầm tay với bong bóng nước [13] Đầu dò nhúngđược sử dụng quét tựđộng và trong các trường hợp chùm tia cần được hội tụ sắc nét để cải thiện độphân giải
Hình 2.15 Ví dụ vềđầu dò kép sử dụng khi kiểm tra nhiệt độ cao [13] Đầu dò kép sử dụng biến tửthu và phát riêng rẽ trong một vỏ chung, chúng được sử dụng trong các trường hợp chịu nhiệt độcao và kiểm tra các bề mặt thô nhám
Dòng EPOCH của hãng Panametrics-NDT có kích thước nhỏ gọn, thích hợp cho ngoài công trình cũng như trong phòng thí nghiệm Chúng tạo ra và hiển thị biểu đồ sóng siêu âm, kết hợp với các phần mềm phân tích để xác định vị trí và phân loại khuyết tật được phát hiện trong chi tiết kiểm tra
Hình 2.16 Thiết bịsiêu âm khuyết tật đường hàn EPOCH 650 [13]
Hình 2.17 Thiết bị siêu âm khuyết tật nhỏ gọn EPOCH 6LT [13]
2.3.2.5 Quy trình kiểm tra siêu âm
Phát hiện hư hỏng khuyết tật bằng siêu âm bản chất là việc so sánh Sử dụng các mẫu đối chứng thích hợp cùng với kiến thức về sự truyền sóng âm và các qui trình kiểm tra chặt chẽ đã được phê duyệt, người kiểm tra được huấn luyện nhận dạng hình dạng xung tương ứng từ chi tiết tốt và từ các khuyết tật điển hình Hình dạng xung từ chi tiết kiểm tra sau đó có thể so sánh với dạng xung từ mẫu chuẩn đểxác định trạng thái của nó
Các biện pháp bả o v ệ kim lo ạ i ch ống ăn mòn
2.4.1 Ch ọ n v ậ t li ệ u kim lo ại thích hợ p
Mỗi kim loại có tính chất ăn mòn riêng nên cần chọn các loại vật liệu phù hợp với từng môi trường
Thép cacbon thấp là hợp kim của sắt chứa một lượng cacbon từ0,05 ÷ 1%. Thép cacbon thấp có giá thành thấp dễ chế tạo Tuy nhiên khuyết điểm chính làkhông bền nên cần có các giải pháp bảo vệ
Thép này bền trong điều kiện không khí khô ráo, tuy nhiên ở nhiệt độ cao nó sẽ bịăn mòn Trong điều kiện không khí ẩm thép này dễ bịăn mòn điện hóa
Thép hợp kim thấp là hợp kim của sắt chứa một lượng nhỏ dưới 2% các nguyên tố Cu, Ni, Cr, P Chúng tạo ra vật liệu có khảnăng chống ăn mòn cao. Thép này gọi là thép thời tiết và được dùng rất phổ biến trong xây dựng
2.4.2 X ử lý môi trường để b ả o v ệ kim lo ạ i
Loại trừ các cấu tử ăn mòn
Có nhiều biện pháp tác động vào môi trường để loại trừ các cấu tửăn mòn thép
Như làm khô không khí bằng các chất hút ẩm để làm giảm độẩm, Dùng các chất ức chế bay hơi nhằm loại bỏ các tạp chất gây nên hiện tượng ăn mòn để hạn chế tốc độ ăn mòn trong bề mặt kim loại
Bảo vệ kim loại khỏi sựăn mòn bằng cách sử dụng chất ức chế
Chất ức chế là những hợp chất vô cơ hoặc hữu cơ có tác dụng làm chậm quá trình ăn mòn, tuy nhiên cần sử dụng liều lượng đúng tiêu chuẩn cho phép, không gây độc hại cho môi trường
2.4.3 Nâng cao độ b ề n ch ống ăn mòn bằng các lớp sơn phủ
Lớp phủ tạo lớp màng ngăn kim loại tiếp xúc với môi trường ăn mòn nên bảo vệđược kim loại, có nhiều loại lớp phủ
Phủ kim loại lên bề mặt kết cấu théplà hình thức sử dụng các kim loại có nhiệt độ nóng chảy thấp chẳng hạn như Pb (327 0 C), Al (658 0 C), Zn (419 0 C), Sn (232 0 C), phủlên bề mặt của các vật liệu kim loại cần bảo vệcó nhiệt độnóng chảy cao hơn Phương phápnày tạo thành được lớp phủ bảo vệkhá dầy bề mặt kim loại, độdính bám của lớp phủkhá cao
Mạđiện là sử dụng kim loại như Zn, Cd, Ni, Cu, Cr, Sn lên thép Mạđiện chính làquá trình điện phân, trong đó catot là vật liệu mạ, còn anot tan ra cung cấp ion kim loại được kết tủa trên cực âm
Lớp phủvô cơ Phủ lớp Photphat hóa
Tạo lớp muối photphat của các kim loại Mn, Fe hoặc Zn phủ lên trên kết cấu thép của các công trình kết cấu thép Lớp phủ này có tính bảo vệ chống ăn mòn không được tốt nên không dùng nó làm lớp bảo vệ, tuy nhiên nếu nó kết hợp với các lớp phủ như sơn thì sẽ tạo ra lớp bảo vệ có chất lượng cao
Oxy hóa điện hóa kim loại bằng phương pháp phân cực anot nhôm trong môi trường axit H2SO4, axit oxalic… tạo lên bề mặt nhôm và hợp kim nhôm một lớp oxit để bảo vệ chống ăn mòn kim loại
Sử dụng sơn và vecni đây là những sản phẩm lỏng, dùng để quét hoặc phun lên trên bề mặt của vật liệu kim loại hoặc phi kim loại
Sử dụng nhựa PVC, nhựa teflon bền vững với axit và kiềm, các dung môi hữu cơ cho đến 25 0 C Phủlên kết cấu thépcác loại nhựa
2.4.4 B ả o v ệ kim lo ạ i b ằng phương pháp điện hóa Áp dụng 2 phương pháp bảo vệđiện hóa
Phương pháp 1 bảo vệ catot bằng dòng ngoài dịch chuyển thế ăn mòn về phía âmkéo theo sự giảm dòng ăn mòn đến cực tiểu Kim loại cần được bảo vệ, các đường ống dẫn nhiên liệu dưới đất, cực âm của nguồn điện một chiều được nối với vỏ tầu biển, còn cực dương của nguồn điện nối với một anot bằng vật liệu ít tan
Hình 2.18 Sơ đồ bảo vệ catot bằng dòng ngoài [10]
Trong đó 1 là vật cần được bảo vệ, 2 là chất độn dẫn điện, 3 là điện cực phụ anot (ống thép, ống silic, graphit, titan…), 4 là Nguồn điện một chiều, 5 làĐiện trở điều khiển dòng, 6 là Môi trường đất
Phương pháp 2 bảo vệ catot bằng anot hy sinh, nối kim loại cần bảo vệ với kim loại khác có điện thếâm hơn và thế kim loại cần bảo vệ được dịch chuyển về phía âm kéo theo sự giảm tốc độ ăn mòn Vật liệu làm anot hy sinh có giá trị điện thế dương thấp hơn kim loại cần được bảo vệ Bảo vệ kim loại bằng Anot hy sinh bị hoà tan.
Hình 2.19 Sơ đồ bảo vệ chống ăn mòn kim loại bằng anot hy sinh [10]
Trong đó 1 là Thiết bị cần bảo vệ, 2 là Anot hy sinh, 3 là Chất bọc anot hy sinh, 4 là Thiết bị kiểm tra, 5 là Công tắc đóng, ngắt mạch
Anot hi sinh làm việc có hiệu quả khi:
Có hiệu điện thế đủ lớn giữa vật bảo vệ và anot hy sinh, nghĩa là thiết bị được bảo vệcó điện thếâm bé hơn anot hy sinh.
Các giải pháp thườ ng s ử d ụng để s ử a ch ữa và khắ c ph ục hư hỏ ng
Tăng cường giàn chủlà tăng tiết diện thép cho các thanh giàn và thay đổi sơ đồ tĩnh học của giàn Điều chỉnh nội lực bằng cách thay đổi sơ đồ tĩnh học, tạo dự ứng lực ngoài, thay đổi vị trí các gối tựa, giảm bớt tĩnh tải mặt cầu Đây là những biện pháp rất hiệu quả
2.5.2 Tăng cườ ng kh ả năng chị u l ự c b ằng táp bản thép
Phương pháp này nhằm mục đích tăng diện tích chịu lực của mặt cắt bằng cách táp thêm các bản thép có cường độ tối thiểu bằng cường độ thép làm kết cấu Liên kết giữa bản thép và thép kết cấu bằng liên kết hàn hoặc bu lông Thường được áp dụng khi kết cấu thiếu khả năng chịu lực do sử dụng quá tải hoặc kết cấu thiếu khảnăng chịu lực cần tăng năng lực chịu tải
Hình 2.20 Phương pháp tăng tiết diện mặt cắt bằng bản táp (Internet)
2.5.3 Tăng cườ ng kh ả năng chị u l ự c b ằ ng d ự ứ ng l ự c ngoài
Hình 2.21 Dựứng lực ngoài cho cầu thép (Internet)
Bản chất của phương pháp này chính là sử dụng lực căng của cáp dự ứng lực làm giảm ứng suất kéo cho kết cấu giàn thép, Cốt thép dự ứng lực được đặt bên ngoài kết cấu thép Chúng truyền lực nén thông qua các vị trí ụ neo, ụ chuyển hướng Cốt thép dựứng lực ngoài được bảo vệ trong ống HDPE có bơm sáp để bảo vệ chống gỉ Phương pháp này thường áp dụng trong trường hợp kết cấu thiếu khả năng chịu lực do quá tải, Tăng cường do dự ứng lực trong cốt thép không đủ hoặc bị mất mát và kết cấu thiếu khả năng chịu lực cần tăng năng lực chịu tải
2.5.4 Tăng cườ ng kh ả năng chị u l ự c b ằng dán tấ m s ợ i t ổ ng h ợp cường độ cao
Tại các vùng chịu kéo trong cầu giàn thép sẽ dùng tấm sợi tổng hợp cường độcao dán vào Khi đó phần tải trọng tăng thêm sẽ do tấm sợi tổng hợp cường độ cao chịu Các sợi tổng hợp hiện nay đang thông dụng là sợi Carbon, sợi thủy tinh…
CHƯƠNG III
ẢNH HƯỞNG CỦA HƯ HỎNG KẾT CẤU THÉP DO SỰ GIẢM YẾU TIẾT
DIỆN TRONG QUÁ TRÌNH KHAI THÁC ĐẾN KHẢ NĂNG CHỊU LỰC CỦA
Sựăn mòn làm giảm yếu tiết diện kết cấu thép dẫn đến giảm khảnăng chịu lực của kết cấu thép, Làm giảm khảnăng chịu tải toàn cây cầu so với ban đầu và dần xuống cấp Các kỹsư cầu phải trả lời rất nhiều câu hỏi liên quan đến ứng xửvà khả năng chịu tải của cầu
Ngày nay với sự phát triển vượt bậc của các phần mềm tính toán kết cấu Các hư hỏng dẫn đến giảm tiết diện thép sẽ được mô phỏng trên máy tính bằng cảnh giảm dần tiết diện kết cấu thép để tính toán lại toàn bộ ứng suất, độ võng, chuyển vị của cầu thép Từ đó có thể đánh giá khả năng chịu tải của cầu và đưa ra một phương án sửa chữa một cách nhanh nhất
3.2 Ảnh hưởng của hư hỏng kết cấu thép do sự giảm yếu tiết diện đến khả năng chịu lực của cầu giàn thép trong quá trình khai thác
3.2.1 M ộ t s ố ảnh hưở ng c ủa hư hỏ ng k ế t c ấu thép do sự gi ả m y ế u ti ế t di ện đế n công trình Ăn mòn làm ảnh hưởng đến khảnăng chịu lực tổng thể kết cấu cầu theo 4 cách
Làm giảm cường độ c ủa các thanh k ế t c ấu thép Ăn mòn làm giảm tiết diện của các thành phần cấu trúc quan trọng khiến thanh thép ứng xử bất thường khi chịu ứng suất Nó làm giảm sức kháng dọc trục và sức kháng uốn nên dẫn đến giảm khảnăng chịu lực một phần hoặc hoàn toàn của thanh thép hình Dẫn đến suy yếu ổn định tổng thể cầu Rung lắc mạnh hoặc xoắn cực độ (gây ra bởi các sự kiện như động đất, tai nạn hoặc gió bất ngờ…) có thể làm ứng suất vượt quá ứng suất cho phép của kết cấu
Làm giảm cường độ kháng cắ t c ủ a k ế t c ấu thép Ăn mòn có thểlàm giảm diện tích mặt cắt hiệu quả của các thành phần cầu chính, bao gồm dầm và thanh giàn Điều này thường làm giảm khảnăng cắt của kết cấu tại các mặt cắt cục bộvà giảm khảnăng tương tác với các phần được kết nối với các kết cấu này Điều đó dẫn đến ma sát, rung động và chuyển động bất thường mà cấu trúc tổng thể cầu có thể không thểduy trì theo thời gian
Làm tăng áp lự c m ỏi lên kế t c ấ u Ăn mòn tác động đến độ bền chịu mỏi của các kết cấu thép và vịtrí liên kết giữa chúng Nó làm tăng tốc độ nứt và rỗ mặt của kết cấu thép thường tập trung ở một vài khu vực cục bộ nhất định Điều này có thể làm cho kết cấu thép bị gãy đổ dẫn đến sụp đổ cầu
Gi ả m d ần độ d ẻ o c ủ a k ế t c ấ u Ăn mòn làm giảm khả năng chịu lực của các mặt cắt chịu uốn và xoắn của kết cấu thép Việc duy trì khả năng này rất quan trọng đặc biệt là trong các khu vực trải qua động đất, thay đổi tải trọng giao thông hoặc thời tiết khắc nghiệt, đặc biệt là gió Các sự cố sập cầu lớn nhất trong lịch sử là do các yếu tố cấu trúc không thể uốn cong như thiết kế khi gặp các điều kiện này
3.2.2 M ố i quan h ệ gi ữ a gi ả m y ế u ti ế t di ệ n k ế t c ấu thép vớ i kh ả năng chị u l ự c c ủ a k ế t c ấ u
3.2.2.1 Kiểm toán kết cấu trạng thái giới hạn cường độ 1
Kiểm toán khảnăng chịu kéo nén của kết cấu thanh giàn thép theo ứng suất cho phép Ứng suất tính toán phải nhỏ hơn ứng suất cho phép thì thanh giàn thép mới đảm bảo khảnăng chịu kéo nén.
Trong đó σ là ứng suất tính toán thanh giàn thép, P là nội lực dọc thanh, A là
Diện tích tiết diện thanh, [σ] làứng suất cho phép thanh giàn thép
3.2.2.2 Kiểm toán độ võng cho phép trạng thái giới hạn sử dụng
Cầu giàn thép phải đảm bảo các yêu cầu vềđộvõng quy định
Trong đó f là độvõng tính toán, Llà chiều dài nhịp
3.2.2.3 Kiểm toán dao động kết cấu nhịp
Chu kỳdao động theo phương đứng của các bộ phận cầu không nằm trong phạm vi cộng hưởng 0.45