NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ DỰ ỨNG LỰC NGOÀI TĂNG CƯỜNG CÁC CẦU BÊTÔNG DỰ ỨNG LỰC TRONG ĐIỀU KIỆN ĐẢM BẢO GIAO THÔNG ThS. NGUYỄN VĂN HẬU PGS. TS. NGUYỄN NGỌC LONG Bộ môn Cầu - Hầm Khoa Công trình Trường Đại học Giao thông Vận tải Tóm tắt: Bài viết này giới thiệu việc ứng dụng của dự ứng lực ngoài trong tăng cường cầu mà đã được áp dụng ở quốc lộ 60 tỉnh Bến Tre. Mục tiêu của bài viết là cung cấp giải pháp cụ thể của việc tăng cường càu bê tông trong điều kiện giao thông bình thường cũng như đánh giá tính hiệu quả của phương án tăng cường Summary: This article demostrates the application of the external prestressed tendon in bridge strengthening, which was applied in National Highway No.60 in BenTre province. The aims of this paper are to provide the specific solution of strengthening existing concrete bridge while the normal traffic flow is not disturbed as well as evaluate the efficiency of this method. CT 2 I. ĐẶT VẤN ĐỀ Các công trình cầu cũ, sau một thời gian dài khai thác đã xuất hiện một số hư hỏng, thậm chí có những hư hỏng có thể ảnh hưởng đến năng lực chịu tải của kết cấu công trình. Sau một thời gian dài, cùng với sự phát triển giao thông, nhu cầu nâng cấp tải trọng khai thác là cần thiết. Tải trọng trong các tiêu chuẩn thiết kế mới thường gây ra hiệu ứng tải lớn hơn các tiêu chuẩn cũ trước đó. Với thực trạng các công trình cầu hiện nay, nhu cầu sửa chữa và nâng cấp rất lớn. Bài viết này nêu ra vấn đề sửa chữa cầu bằng giải pháp dự ứng lực ngoài trong điều kiện vẫn đảm bảo thông xe và đánh giá hiệu quả của giải pháp trong việc nâng cấp kết cấu nhịp cầu trên các cầu cũ thuộc quốc lộ 60 thuộc địa phận tỉnh Bến Tre được thiết kế theo tải trọng HS20-44 theo tiêu chuẩn Mỹ cũ. Các cầu đó được thống kê trong bảng 1 dưới đây: [1], [2], [3]. Bảng 1 Stt Tên cầu Lý trình Sơ đồ nhịp 1 Ba Lai KM 10 + 320 12,5m + 4x24,7 + 12,5m 2 Cái Cấm Km 23 + 206 12,5m + 5x24,7 + 12,5m 3 Chợ Xếp Km 26 + 416 12,5m + 24,7m + 12,5m 4 Mỏ Cày Km 32 + 349,55 12,5m + 3x24,7 + 12,5m 5 Hòa Lộc Km 28 + 282 24,7m + 18,6m + 2x24,7m + 12,5m II. CÁC YÊU CẦU CỦA NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG Về các sức kháng cơ học và ổn định: Kết cấu cầu sau khi được sửa chữa và tăng cường phải đáp ứng được yêu cầu về cường độ và ổn định theo trạng thái giới hạn cường độ quy định trong quy trình tương ứng với tải trọng theo tiêu chuẩn hiện tại là H30, XB80. Về độ bền khai thác (trạng thái giới hạn sử dụng): Công tác sửa chữa và tăng cường khó có thể khôi phục kết cấu lại trạng thái ban đầu theo lý thuyết, tuy nhiên, độ bền của các phương án thiết kế cần phải thỏa mãn tối thiểu các yêu cầu sử dụng trong khoảng 20 năm. Để đạt được những tiêu chí này, phương án tăng cường ngoài việc bổ sung các chi tiết với mục đích kết cấu dưới các hiệu ứng tải nâng cấp thỏa mãn các trạng thái giới hạn sử dụng còn cần phải sử dụng các vật liệu có tính bền với thời gian đảm bảo tuổi thọ của các phương án sửa chữa và tăng cường đạt được yêu cầu tối thiểu như trên. Do đặc điểm cầu đang được khai thác trên tuyến quốc lộ huyết mạch, với lưu lượng xe cộ lớn và không có đường thay thế hay tránh tạm thời, vì vậy công tác tăng cường và sửa chữa phải gắn liền với công tác đảm bảo giao thông và đảm bảo an toàn trong quá trình thi công cả về người và phương tiện giao thông cũng như an toàn của công trình trong quá trình thi công. Vì vậy phương án thiết kế và biện pháp thi công phải có giải pháp phù hợp với đặc điểm nêu trên. Đặc điểm về vốn đầu tư của dự án bị hạn chế do vậy các giải pháp thiết kế và biện pháp thi công cần phải đảm bảo chịu lực tuy nhiên vẫn một phần bị hạn chế do tổng mức đầu tư vì vậy các phương án thiết kế có một sự khó khăn nhất định và đòi hỏi phải thi công hết sức cẩn thận và ngặt nghèo. CT 2 Để đạt được những tiêu chí trên, cần phải có các biện pháp thi công đặc thù và các phương án kết cấu tăng cường sửa chữa phù hợp. Nói chung, thi công sửa chữa và tăng cường khó khăn hơn nhiều so với thi công mới. Từ kết quả thực nghiệm này có thể áp dụng một cách rộng rãi cho các cầu trên các tuyến Quốc lộ, tỉnh lộ khác có sử dụng các nhịp dầm định hình cũ của Mỹ trong khu vực phía Nam. Hoàn thiện công nghệ thi công nhất là trong điều kiện cầu vẫn đang khai thác. Giảm chi phí xây dựng khi so sánh với các công nghệ tương tự của nước ngoài đã được áp dụng tại Việt Nam như của Pháp… III. HIỆN TRẠNG CÁC CẦU Trước khi cầu được đưa vào sửa chữa có kiểm định thử tải cầu nhằm xác định năng lực chịu tải thực tế của công trình. Quá trình kiểm định được thực hiện vào năm 2004. Trên cơ sở nghiên cứu hiện trạng của các cầu ở trên, có thể nhận xét chung là tất cả các kết cấu nhịp của các cầu nói trên đều sử dụng các dầm chế tạo định hình của công ty bê tông Châu Thới. Các nhịp được sử đụng là các loại nhịp 12.5m; 18.6m và 24.7m. Do các nhịp này có tải trọng thiết kế ban đầu không lớn bằng tải trọng thiết kế tăng cường của tiêu chuẩn hiện hành. Về cơ bản, các kết cấu nhịp cầu đều còn tương đối tốt, một số hư hỏng nhỏ như bong, vỡ bê tông, ăn mòn đã bắt đầu xuất hiện. Một số nhịp cầu đã được tăng cường sửa chữa nhưng mang tính nhỏ lẻ và không có tính chất nâng cấp khả năng chịu tải để đáp ứng yêu cầu nâng cấp theo tải trọng thiết kế hiện tại. IV. TỔNG QUÁT CÔNG NGHỆ ÁP DỤNG NÂNG CẤP KHẢ NĂNG CHỊU TẢI KẾT CẤU NHỊP [5] Bố trí phương án là tăng cường kết cấu nhịp bằng biện pháp dự ứng lực ngoài. Để đảm bảo sơ đồ kết cấu phù hợp với quan điểm thiết kế và tính toán, kết cấu nhịp sẽ được bổ sung thêm dầm ngang bao gồm hai dầm ngang sát đầu kết cấu nhịp để đặt neo và tối thiểu hai dầm ngang làm ụ chuyển hướng. Các dầm ngang làm ụ chuyển hướng có thể bổ sung thêm hay tăng cường từ các dầm ngang hiện hữu. Mỗi dầm chủ sẽ được tăng cường độc lập bằng hai bó thép dự ứng lực ngoài bố trí hai bên sườn dầm. Tùy theo khẩu độ kết cấu nhịp cũng như sự xuống cấp công trình thực tế mà bố trí số lượng bó thép cũng như điều chỉnh lực kéo cho phù hợp. Chi tiết của phương án thể hiện trong hồ sơ bản vẽ. Tác dụng của phương án này là sử dụng các lực căng trong bó thép dự ứng lực để tạo ứng suất ngược dấu trong kết cấu nhịp cầu, dưới tác dụng của hoạt tải thiết kế theo quy mô dự án, phần tĩnh tải chất thêm và các trị số tăng thêm do hoạt tải thiết kế gây ra sẽ được triệt tiêu, làm tăng khả năng chịu tải trong trạng thái giới hạn sử dụng của kết cấu. Ngoài ra, tác dụng của dự ứng lực ngoài cũng làm tăng trạng thái giới hạn cường độ của kết cấu. Đối với trạng thái giới hạn cường độ khi kiểm toán theo lực cắt. Theo phương án bố trí này, để đảm bảo khả năng thi công, để có thể bố trí được kích tại điểm neo, phần đầu dầm không được tăng khả năng chịu cắt lên nhiều nên trong quá trình tính toán chi tiết, nếu kiểm tra độ dư thừa về khả năng chịu cắt của kết cấu nhịp mà không đủ thì sẽ bổ sung thêm biện pháp tăng cường sức kháng cắt tại đầu dầm. CT 2 Phương án này có đặc điểm là tạo hiệu quả tăng cường nâng cấp kết cấu nhịp rõ rệt, khả năng thi công phù hợp với các đơn vị thi công trong nước, đặc biệt là các đơn vị thi công nhỏ do tính chất của công trình nhỏ vẫn có thể đáp ứng được các yêu cầu về khả năng thi công và trình độ kỹ thuật. Giá thành của phương án không quá cao cũng như vật liệu sử dụng cũng không khan hiếm ở thị trường trong nước. Giải pháp thi công để đảm bảo mục đích giao thông sử dụng kết hợp hai hướng. Hướng thứ nhất sử dụng biện pháp thi công phù hợp đảm bảo việc đổ bê tông; tránh các giờ cao điểm kết hợp với hạn chế tốc độ xe qua lại tránh gây chấn động tới kết cấu, kết hợp với việc sử dụng các khe nối thi công (thường nối bằng bản thép ở giữa mặt cắt ngang đối với các dầm ngang bổ sung). Hướng thứ 2: sử dụng loại vật liệu bê tông phù hợp, có thời gian ninh kết nhanh đồng thời tạo cường độ sớm nhưng đảm bảo độ linh động khi đưa bê tông vào các lỗ thi công trong điều kiện bị khống chế mặt bằng và khối lượng thi công nhỏ. Các phụ gia bê tông có nguồn gốc pôlyme có thể đáp ứng được yêu cầu này. V. KẾT QUẢ THỬ TẢI TRƯỚC VÀ SAU KHI SỬA CHỮA Sau khi công tác sửa chữa, tăng cường kết cấu nhịp có tiến hành thử tải để đánh giá sự làm việc của các cầu. Một số các hình ảnh khi tiến hành thử tải và đo đạc cầu, (xem hình 1 và 2). (a) (b) Hình 1. Bố trí thử tải cầu tại hiện trường a. Xếp xe thử tải cầu - Tải trọng 80% hiệu ứng tải thiết kế b. Gắn các Tenxơ đo biến dạng và Indicator đo chuyển vị của kết cấu nhịp sau khi tăng cường CT 2 Hình 2. Bố trí thiết bị đo thử tải cầu tại hiện trường - So sánh kết quả thử tải trước và sau khi tăng cường cho thấy độ võng đã được giảm đáng kể từ 15 - 25% (hình 3, 4, 5, 6, 7). - Đối với cầu Ba Lai: 3.455 4.097 4.898 5.638 6.053 5.765 6.017 3.98 3.483 4.185 5.373 6.803 7.862 8.070 7.750 6.577 5.537 4.378 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 123456789 Kết quả đo lần 2 Kết quả đo lần 1 4.102 4.78 5.555 6.01 5.608 5.053 4.135 3.733 2.97 5.572 6.777 7.270 8.323 7.527 6.933 5.985 4.552 3.577 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 123456789 Kết quả đo lần 2 Kết quả đo lần 1 Hình 3. Kết quả đo độ võng sơ đồ đúng tâm nhịp 12,50m Hình 4. Kết quả đo độ võng sơ đồ lệch tâm nhịp 12,50m 4.895 6.118 6.663 6.975 7.237 6.808 6.603 6.065 5.01 7.257 7.613 7.828 8.073 8.487 7.947 7.755 7.453 7.120 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 123456789 Kết quả đo lần 2 Kết quả đo lần 1 6.203 6.582 6.907 7.18 6.893 6.445 6.17 5.467 3.99 8.970 8.947 8.448 8.233 7.893 7.383 7.097 6.563 5.777 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 123456789 Kết quả đo lần 2 Kết quả đo lần 1 Hình 5. Kết quả đo độ võng sơ đồ đúng tâm nhịp 24,70m Hình 6. Kết quả đo độ võng sơ đồ lệch tâm nhịp 24,70m 3.567 4.165 4.643 4.978 5.010 4.685 4.110 3.400 5.123 6.358 6.903 7.328 7.320 6.890 6.507 5.090 0.000 1.000 2.000 3.000 4.000 5.000 6.000 7.000 8.000 12345678 Kết quả đo lần 2 Kết quả đo lần 1 Hình 7. Kết quả đo độ võng sơ đồ đúng tâm nhịp 18,60m Ghi chú: Trên các biểu đồ, đường nét đứt là đường của các kết quả thử tải trước khi tăng cường. Đường nét liền thể hiện kết quả thông số thử tải sau khi tăng cường bằng phương án dự ứng lực ngoài. + Kết quả đo dao động CT 2 Bảng 2 f(Hz) T(s) y max (mm) y min (mm) (1+μ) Nhịp Phương đo dao động Lần 1 Lần 2 Lần 1 Lần 2 Lần 1 Lần 2 Lần 1 Lần 2 Lần 1 Lần 2 Thẳng đứng 7,0 6,85 0,1429 0,1460 1,040 2,158 0,822 1,434 1,1171 1,2016 Nằm ngang ngang cầu 3,8 4,95 0,2632 0,2020 N1 Nằm ngang dọc cầu 3,7 3,70 0,2703 0,270 Thẳng đứng 3,7 3,69 0,2703 0,2710 1,981 2,667 0,835 1,578 1,4069 1,2565 Nằm ngang ngang cầu 3,5 3,06 0,2857 0,3268 N2 Nằm ngang dọc cầu 3,1 3,55 0,3226 0,2817 Số liệu đo đạc của các nhịp tương ứng tại một số cầu khác (Cái Cấm, Chợ Xếp, Mỏ Cày và Hòa Lộc) đều cho kết quả tương tự với sự sai khác so với thông kê nêu trên không đáng kể. Nhận xét: Thông qua kết quả đo, có thể thấy rõ là các thông số chịu lực của kết cấu nhịp cầu được cải thiện rõ rệt. Các kết quả về độ võng và dao động là các kết quả rõ nét nhất mà có thể cảm nhận bằng cảm giác chủ quan về sự cải thiện rõ rệt năng lực kết cấu nhịp cầu và được chứng minh bằng các số liệu đo thí nghiệm (bảng 2). Việc tăng cường cầu cải thiện rõ rệt năng lực đáp ứng của cầu thông qua các nội dung sau: Việc bổ sung thêm các dầm neo và dầm neo chuyển hướng làm sự phân phối lực giữa các dầm chủ tốt hơn, các dầm kết hợp chịu lực tốt hơn. Tác dụng của dự ứng lực ngoài có thể thấy ngay làm tăng mức độ dự trữ nén trong bê tông và giảm nguy cơ nứt khi tăng tải trọng khai thác. VI. KẾT LUẬN Qua các kết quả thử nghiệm cầu trên cho thấy: 6.1. Giải pháp dự ứng lực ngoài áp dụng để nâng cấp các cầu cũ đang khai thác đáp ứng tốt yêu cầu nâng cấp tải trọng theo tải trọng thiết kế của tiêu chuẩn thiết kế. Sau khi gia cường dự ứng lực ngoài, năng lực chịu tải của kết cấu nhịp đều tăng và đáp ứng yêu cầu so với thiết kế thể hiện qua hệ số đáp ứng của kết cấu tốt. 6.2. Công nghệ thi công dự ứng lực ngoài trong điều kiện phải đảm bảo giao thông mà vẫn đảm bảo chất lượng kết cấu công trình do đó thể hiện tính khả thi của công nghệ. CT 2 6.3. Có thể áp dụng công nghệ dự ứng lực ngoài khi sửa chữa, gia cường các kết cấu nhịp cầu cũ, cầu yếu hay có năng lực thiết kế thấp. Giải pháp dự ứng lực ngoài trong việc tăng cường cầu ở khu vực đồng bằng Sông Cửu Long là một giải pháp công nghệ hữu hiệu cả về tính khả thi, chi phí và lợi ích. Tài liệu tham khảo [1]. Hồ sơ quản lý các cầu Ba Lai, Cái Cấm, Chợ Xếp, Hòa Lộc và Mỏ Cày do Sở GTVT Bến Tre lập. [2]. Báo cáo kết quả kiểm định, thử tải các cầu Ba Lai, Cái Cấm, Chợ Xếp, Hòa Lộc và Mỏ Cày do Công ty TNHH Giao thông Vận tải lập năm 2004. [3]. Hồ sơ báo cáo kinh tế kỹ thuật sửa chữa tăng cường các cầu Ba Lai, Cái Cấm, Chợ Xếp, Hòa Lộc và Mỏ Cày do Công ty TNHH Giao thông Vận tải lập năm 2006 và 2007. [4]. Báo cáo kết quả kiểm định, thử tải các cầu Ba Lai, Cái Cấm, Chợ Xếp, Hòa Lộc và Mỏ Cày do Công ty TNHH Giao thông Vận tải lập năm 2007 và 2008. [5]. REHABCON: Strategy for maintenance and rehabilitation in concrete structures REHABCON IPS- 2000-00063 EC DG ENTR-C-2 Innovation and SME Programme ♦ . CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ DỰ ỨNG LỰC NGOÀI TĂNG CƯỜNG CÁC CẦU BÊTÔNG DỰ ỨNG LỰC TRONG ĐIỀU KIỆN ĐẢM BẢO GIAO THÔNG ThS. NGUYỄN VĂN HẬU PGS. TS. NGUYỄN NGỌC LONG Bộ môn Cầu - Hầm Khoa Công. Có thể áp dụng công nghệ dự ứng lực ngoài khi sửa chữa, gia cường các kết cấu nhịp cầu cũ, cầu yếu hay có năng lực thiết kế thấp. Giải pháp dự ứng lực ngoài trong việc tăng cường cầu ở khu. đáp ứng của kết cấu tốt. 6.2. Công nghệ thi công dự ứng lực ngoài trong điều kiện phải đảm bảo giao thông mà vẫn đảm bảo chất lượng kết cấu công trình do đó thể hiện tính khả thi của công nghệ.