GS.TS. Nguyễn viết Trung- Gíao trình Khai thác, Kiểm ñịnh, Gia cố, Sửa chữa cầu cống Page 145/152 4.5.4. TÍNH TOÁN TĂNG CƯỜNG KẾT CẤU NHỊP THÉP ðây là vấn ñề rất phức tạp và nhiều khi dựa vào kinh nghiệm của người thiết kế. Về mặt pháp lí, cách tính toán phải theo Quy trình 1979 của Bộ GTVT, nhưng nội dung của Quy trình này nhiều chỗ không phù hợp tình hình sửa chữa cầu cũ. Vì vậy phải dựa thêm vào các nguyên lí cơ bản của môn học: Cơ học xây dựng, Sức bền vật liệu và kết cấu thép ñể tính toán. ðôi khi phải ñề ra và chấp nhận một số giả thiết tính toán nhằm ñơn giản hoá nhưng phải tổ chức thử tải cầu ñể có quyết ñịnh sát thực tế. Những câu hỏi luôn luôn cần ñặt ra và tìm cách giải ñáp trong lúc tính toán tăng cường cầu: - Sự phân chia trách nhiệm chịu tải giữa phần kết cấu cũ của mặt cắt và phần thép mới thêm vào mặt cắt như thế nào? - Cấu tạo liên kết nào hợp lí ñể nối giữa phần kết cấu cũ và các bộ phận thép mới thêm vào. - Sau một thời gian tiếp tục khai thác, liệu các biện pháp ñiều chỉnh ứng lực nhân tạo như tạo dự ứng lực nhân tạo, tạo dự ứng lực ngoài bổ xung, ñiều chỉnh theo ñộ gối có giữ nguyên hiệu quả ban ñầu không, diễn biến nội lực theo thời gian như thế nào. - Tình trạng ứng suất tập trung và ứng suất dư do hàn? - Khả năng bảo vệ các dự ứng lực ngoài bổ xung. - Sự làm việc thực tế của các bulông cường ñộ cao mới ñặt thêm trên cầu cũ như thế nào? - Cách xét ñến những khuyết tật và hư hỏng của kết cấu thép cũ. ðặc biệt khi dự ñịnh dùng dự ứng lực ngoài bổ xung ñể tăng cường cầu thép phải chọn hợp lí ñược các tham số sau: r – tỉ số các ñặc trưng cường ñộ của vật liệu thép cũ và vật liệu thép dự ứng lực ngoài bổ xung. β 2 – hệ số hiệu quả tập trung ứng suất của thép dự ứng lực ngoài bổ xung δ 2 - ñộ mềm ñàn hồi của các liên kết của thép dự ứng lực như neo, ụ ñặt neo, … Tỉ số r càng lớn thì càng tiết kiệm vật liệu tăng cường cầu nhưng ñòi hỏi trình ñộ công nghệ cao. ðể giảm hệ số hiệu quả tập trung ứng suất nếu dùng thép thanh dự ứng lực thì các ren răng ñược gia công bằng cách cán ren và tăng bán kính vuốt tròn của ren răng. ðộ mêm ñàn hồi của liên kết thép dự ứng lực càng cao thì ñộ bền mỏi của thép ñó càng cao. GS.TS. Nguyễn viết Trung- Gíao trình Khai thác, Kiểm ñịnh, Gia cố, Sửa chữa cầu cống Page 146/152 Một ñiều ñáng chú ý là hiệu quả tăng cường cầu càng lớn nếu phần tĩnh tải chiếm tỉ lệ càng lớn. Vì vậy việc tăng cường các bộ phận của dàn chủ nhịp lớn sẽ hiệu quả hơn khi tăng cường nhịp ngắn. Trong thiết kế tăng cường bằng dự ứng lực ngoài bổ xung cần ñặc biệt lưu ý thiết kế liên kết giữa ụ neo và kết cấu thép cũ. Sau một thời gian sẽ xảy ra trượt trên các bề mặt tiếp xúc ñã ñược liên kết bởi ñinh tán hoặc bulông cường ñộ cao khiến cho sớm xảy ra hư hỏng liên kết. ðể an toàn hơn nên bulông cường ñộ cao ở phía hàng lỗ ngoài cùng của liên kết và trong tính toán không nên lấy hệ số ma sát cao 4.6. TĂNG CƯỜNG KẾT CẤU NHỊP CẦU BTCT, BÊTÔNG VÀ ðÁ XÂY Cầu BTCT, bêtông và ñá xây có tĩnh tải rất lớn, so với hoạt tải, vì vậy khi hoạt tải phát triển nặng thêm thì những cầu ñược bảo dưỡng tốt vẫn có thể chịu tải mà không cần tăng cường. Trong mọi trường hợp phải so sánh kinh tế giữa việc tăng cường cầu BTCT cũ với việc phá bỏ nó và thay bằng kết cấu mới. Giá thành dự toán tăng cường cầu nếu chỉ bằng 1/2 giá xây cầu mới thì lúc thi công xong giá thực tế có thể cũng xấp xỉ bằng giá xây cầu mới vì có rất nhiều vấn ñề nảy sinh thêm trong quá trình thi công sửa chữa tăng cường mà lúc thiết kế ñồ án ñể tăng cường thì chưa phát hiện ra. Trên tuyến ñường sắt Hà Nội – Sài Gòn có ñến xấp xỉ 600 chiếc cầu BTCT cũ với tuổi xấp xỉ 60 ÷ 70 năm. Nhiều cầu ñã hỏng ñến mức không thể tăng cường sửa chữa một cách kinh tế mà phải thay dầm mới. Trên các tuyến ñường ôtô cả miền Trung và miền Nam còn rất nhiều cầu BTCT cũ do Pháp xây dựng từ năm 1930 khổ hẹp nhưng vẫn còn khai thác. Rất nhiều cầu dầm BTCT dự ứng lực kéo trước sản xuất theo ñồ án mẫu của Mỹ ñang bị hư hỏng do hiện tượng ñứt dần cáp dự ứng lực ngang. Như vậy yêu cầu thực tế của việc tăng cường cầu BTCT ở nước ta là rất lớn. Các cầu bêtông và cầu ñá cũ nói chung còn rất ít và vấn ñề tăng cường chúng thường không ñược ñặt ra ở Việt Nam lúc này. Nói chung công việc tăng cường cầu BTCT cũ chủ yếu là tăng khả năng chịu ứng suất pháp và ứng suất kéo chủ. 4.6.1 THÊM CỐT THÉP Nếu chỉ cần tăng khả năng chịu lực không nhiều, chừng 10 ÷ 15%, thì nên ñặt thêm cốt thép chủ chịu kéo ở ñáy dầm. Các cốt này ñược hàn nối vào hàng cốt thép chủ cũ dưới dạng cùng của dầm. Muốn vậy phải ñập bỏ tầng bêtông bảo hộ ở ñáy hầm ñến lô một nửa ñường kính của cốt thép chủ hàng dưới cùng. Các mối hàn liên kết cốt thép mối và cốt thép ñổ bêtông phần ñáy dầm ñể che phủ bảo vệ cốt thép mới thêm. ở nước ngoài thường dùng bêtông phun mà không dùng ván khuôn ñổ bêtông kiểu thông thường. GS.TS. Nguyễn viết Trung- Gíao trình Khai thác, Kiểm ñịnh, Gia cố, Sửa chữa cầu cống Page 147/152 Chiều cao dầm sẽ tăng lên chút ít làm giảm chiều cao khổ giới hạn gầm cầu. Sức chịu tải của dầm cầu ñược tăng lên chủ yếu là nhờ ở cốt thép mới thêm những cốt thép này chỉ tham gia chịu hoạt tải. Nếu muốn tăng sức chịu tải của kết cấu nhịp lên từ 15% ÷ 35% thì phải tìm cách tăng chiều cao dầm kết hợp tăng thêm cốt thép chịu kéo. Khi ñó phải thêm cả các cốt ñai ngắn. Những công tác cần làm sẽ là: - ðục bỏ lớp bêtông bảo hộ cốt thép chủ hàng dưới cùng - Hàn các ñoạn cốt thép xiên ngắn - ðục bỏ lớp bêtông bảo hộ của một số cốt ñai - Hàn ghép cốt ñai nối vào cốt ñai cũ cho dài xuống phía ñáy dầm ñủ mức cần thiết - ðặt các cốt thép chủ nối thêm liên kết chúng với các ñai ñã nối dài vào cốt xiên bổ xung. - Gia công bề mặt bêtông cũ - ðổ bêtông hoặc phun bêtông tạo ra phần dưới bổ xung thêm của dầm, bao phủ các cốt thép mới thêm. A A A A 6 3 2 6 4 2 1 5 B B B B 3 1 2 3 2 1 4 Hình 4.23: Tăng cường dầm cầu BTCT bằng cách thêm cốt thép hàn vào cốt thép cũ nhờ mẩu cốt thép ngắn (a) và nhờ các ñai ngắn (b) 1 – Vùng ñược tăng cường 2 – Cốt thép cũ 3 – Cốt thép thêm 4 – Mối hàn 5 - ðai ngắn xiên 6 - ðai ngắn Muốn sửa chữa tốt phải dùng vật liệu bêtông tốt có pha các phụ gia hoá dẻo, phụ gia tăng cứng nhanh hoặc dùng bêtông pôlyme. ðể tăng dính bám giữa bêtông cũ và bêtông mới cần quét lên bề mặt ñã ñược làm sạch của bêtông cũ một lớp vữa trên cơ sở nhựa êpôxy. Không những chỉ tăng cường cốt thép chịu kéo ở ñáy dầm, nhiều cầu có thể phải thêm cốt thép xiên và cốt ñai rồi mở rộng sườn dầm ñể tăng khả năng chịu lực cắt. GS.TS. Nguyễn viết Trung- Gíao trình Khai thác, Kiểm ñịnh, Gia cố, Sửa chữa cầu cống Page 148/152 4.6.2 DÁN BẢN THÉP NGOÀI BỔ SUNG Từ năm 1992, bộ môn Cầu ðHGTVT ñã phối hợp với viện nghiên cứu thiết kế ñường sắt tiến hành tăng cường bốn cầu BTCT cũ trên ñường Hà Nội – Sài Gòn bằng phương pháp dùng bêtông pôlyme kết hợp dán bản thép ngoài thêm ở ñáy dầm, ñặt thêm cốt ñai ngoài ở bụng dầm. Kết quả thực tế sử dụng hơn 10 năm qua ñến nay (2003) rất tốt. Ưu ñiểm cơ bản của phương pháp dán bản thép ngoài là việc sửa chữa không ảnh hưởng gì ñến việc thống tàu qua cầu thường xuyên. Bản thép có ñộ dày 6 ÷ 10 mm ñược dán bằng keo êpôxy vào mặt ñáy dầm cũ ñã ñược gia công sửa chữa cho phẳng bằng bêtông pôlyme. Khi dán phải tạo áp lực ép ñều 0,4 kg/m 2 cho ñến lúc keo hoá cứng hoàn toàn trong khoảng 1h. Cũng có thể dán bản thép vào mặt bên của dầm ñể tăng khả năng chịu cắt và chống nứt. 4.6.3 TẠO DỰ ỨNG LỰC NGOÀI BỔ SUNG Một số cầu ở nước ta ñã ñược tăng cường bằng dự ứng lực ngoài ñạt kết quả tốt như cầu chữ Y, cầu Tân Thuận ở Thành Phố Hồ Chí Minh, cầu Niệm, cầu An dương ở Hải Phòng. Cốt thép dự ứng lực ngoài bổ sung thường ñược ñặt sao cho tạo ra dự ứng lực nén ñúng tâm hoặc dự ứng lực nén lệch tâm trên mặt cắt tuỳ theo ý ñồ thiết kế. Cốt thép này bao gồm các cáp thép xoắn 7 sợi cường ñộ cao ghép lại, ñược ñặt trong ống bảo vệ bằng pôlyêtylen mật ñộ cao. Các hãng xây dựng Quốc tế lớn ñều có các hệ thống dự ứng lực ngoài riêng với chất lượng cao bao gồm: Cáp, ống chiếu cáp, mấu neo, mối nối cáp và các kích kéo cáng cốt thép. ðể liên kết cốt thép này vào dầm cũ cần phải tạo ra các ụ neo ngoài bổ xung bằng thép hoặc bê tông cốt thép. An toàn nhất là làm các ụ neo BTCT ñúc bêtông tại chỗ dính vào bề mặt bêtông sườn dầm hoặc ñáy dầm cũ. Các thanh này ñặt nằm ngang ngang cầu và ñược kéo cằng bằng loại kích ñặc biệt. ở những vị trí chuyển hướng của cáp dự ứng lực ngoài phải làm các ụ chuyển hướng có cấu tạo tương tự ụ neo. Cốt thép dự ứng lực ngoài thường ñược căng bằng loại kích ñặc biệt sau ñó neo lại và bơm vữa lấp lòng ống chứa cáp ñể bảo vệ cáp chống rỉ. Mức ñộ dự ứng lực ngoài ñược tạo ra phụ thuộc kết quả tính toán về sự chịu ñựng lực chung của kết cấu cũ và cốt thép mới. GS.TS. Nguyễn viết Trung- Gíao trình Khai thác, Kiểm ñịnh, Gia cố, Sửa chữa cầu cống Page 149/152 ðây là phương pháp tăng cường cầu BTCT một cách hiệu quả nhất nhưng ñòi hỏi trình ñộ công nghệ cao ñã ñược áp dụng rộng rãi trên thế giới. 4.6.4 VỀ CÁCH TĂNG CƯỜNG CẦU VÒM BÊTÔNG VÀ CẦU ðÁ. Vấn ñề tăng cường cầu vòm bêtông và cầu vòm ñá cũ ít khi ñược ñặt ra vì số cầu này còn rất ít. Nói chung biện pháp ñể tăng cường là làm thêm vòm BTCT ñỡ bên dưới cầu cũ nếu mố trụ còn ñủ khả năng chịu lực. ðôi khi có thể ñổ bêtông một tấm bản dày 20 ÷ 25 cm có ñủ chiều rộng cho xe chạy và dài suốt kết cấu nhịp, ñè lên trên kết cấu vòm cũ. 4.6.5 TÍNH TOÁN TĂNG CƯỜNG CẦU BTCT CŨ Vấn ñề này còn phức tạp hơn cả việc tính toán tăng cường cầu thép cũ. Phải khảo sát và tính toán tỉ mỉ, thậm chí phải thử tải cầu cũ trước khi thiết kế tăng cường. ðối với cầu cũ bằng BTCT, việc tính toán ñể ñặt thêm cốt thép thường hoặc ñặt cốt thép dự ứng lực ngoài có thể theo những giả thiết nào ñó phù hợp và thiên về an toàn. Nhưng ñối với các kết cấu nhịp cũ BTCT dự ứng lực, việc tăng cường dự ứng lực ngoài rất phức tạp vì khó xác ñịnh ñược chính xác tình trạng dự ứng suất còn lại trong kết cấu cũ. Ở cầu Niệm ñã phải chọn giải pháp loại bỏ hoàn toàn dự ứng lực cũ bằng cách cắt ñứt các cáp cũ lần lượt. Sau mỗi ñợt ñặt và kéo cùng một số lượng nhất ñịnh các cáp dự ứng lực ngoài mới. Sau khi tăng cường cầu xong, nên tiến hành thử tải ñể xác ñịnh ñược chính xác mức ñộ tăng cường ñược khả năng chịu tải của cầu, bởi vì nói chung các tính toán ñều dựa trên những giả thiết nhiều khi khác xa thực tế do không thể khảo sát kĩ lưỡng ñược cầu cũ. Nhìn chung, vấn ñề lí thuyết tính toán tăng cường cầu cũ BTCT là chưa hoàn chỉnh và không nước nào có quy trình thiết kế quy ñịnh chặt chẽ về việc này. Mỗi trường hợp cụ thể ñều phải ñược xem xét cân nhắc mọi mặt bởi các chuyên gia nhiều kinh nghiệm. 4.7. CÁC GIẢI PHÁP KẾT CẤU CÔNG NGHỆ TĂNG CƯỜNG MỐ TRỤ CẦU. 4.7.1 TĂNG CƯỜNG TRỤ Trừ những trường hợp bị hư hỏng do bom ñạn chiến tranh hoặc các tai nạn cháy nổ, các kết cấu trụ cũ bằng ñã xây và bêtông khối lượng lớn thường vẫn ñủ khả năng chịu lực khi hoạt tải tăng lên. GS.TS. Nguyễn viết Trung- Gíao trình Khai thác, Kiểm ñịnh, Gia cố, Sửa chữa cầu cống Page 150/152 Các trụ BTCT dạng thân cột có xà mũ hoặc dạng khung BTCT (thường gặp ở miền Nam) thường phải ñược tăng cường. Phương pháp chung là tạo ra lớp áo BTCT dày 10 ÷ 15 cm bao quanh thân trụ cũ trên suốt chiều cao thân trụ hoặc tạo ra các ñai BTCT bao quanh như ñã nói ở phẩn giới thiệu về sửa chữa mố trụ. ðể tăng cường xà mũ có thể ñặt cốt thép và ñổ bêtông bổ xung phần bên dưới xà mũ cũ tạo ra xà mũ có chiều cao lớn lơn và ñủ cốt thép. Một số trụ dạng hai cột ñược tăng cường bằng cách ñổ bêtông tường nối liền hai cột ñó trên suốt chiều cao cho ñến sát ñáy xà mũ. Như vậy tĩnh tải sẽ tăng và có thể móng trụ bị ảnh hưởng. Khó khăn nhất là tăng cường móng trụ. Có thể làm thêm và hạ lưu trụ cũ. Sau ñó ñặt hai bên thượng lưu và hạ lưu trụ cũ. Sau ñó ñặt cốt thép và ñổ bê tông bệ cọc mới bao trùm cả bệ cọc cũ và các cọc mới bổ xung. Như vậy phần cọc nối thân chỉ tham gia chịu hoạt tải và một phần tĩnh tải bổ xung của thân trụ và kết cấu nhịp. Bệ trụ trở nên rất lớn, sự làm việc chung giữa phần cũ và mới không thể tính toán một cách chính xác ñược. Nhiều cầu cũ ở miền Nam có móng cọc thép do công binh Mỹ xây dựng trong chiến tranh. ðến nay các cọc thép bị rỉ nghiêm trọng. Rất khó khăn tăng cường các móng này. Tốt nhất là phá bỏ nếu ñã hư hỏng nghiêm trọng và làm trụ mới. Sau khi tăng cường trụ xong nên thử tải cầu. Các trụ cầu ñặt trên móng giếng chìm tường không cần tăng cường móng vì khả năng chịu lực lớn. 4.7.2 TĂNG CƯỜNG MỐ CẦU Các phương pháp thông dụng ñể tăng cường mố cầu là: - Thay ñất ñắp cũ sau mố bằng ñá dăm, ñá hộc ñể giảm áp lực ñẩy ngang của lăng thể trượt sau mố (hình 4 - 24) - Làm thêm hoặc làm lại bản quá ñộ có ñộ dài 3 ÷ 6 m và dày 20 ÷ 30 cm bằng BTCT. - Làm thêm kết cấu chống lực ñẩy ngang ở phía trước mố tại cao ñộ móng mố (xem hình 4 – 25). - Làm thêm hệ thống neo trọ ñất bằng thép ñể tăng cường cho tường trước mố và giữ ổn ñịnh chống lật, trượt - Kéo dài thêm một nhịp cầu nữa vào phía bờ. Như vậy mố mới ở phía trong bờ. - Xây mố cho to thêm và dày thêm bằng BTCT hoặc ñá xây. GS.TS. Nguyễn viết Trung- Gíao trình Khai thác, Kiểm ñịnh, Gia cố, Sửa chữa cầu cống Page 151/152 - ðối với cầu nhỏ một nhịp có thể làm thêm các thanh chống giữa hai bệ móng mố bằng BTCT chôn trong ñất ñáy sông. Như vậy sẽ giảm ñược mômen uốn trong thân mố. - Việc tăng cường móng mố cũng có thể áp dụng các biện pháp tương tự như khi tăng cường móng trụ. Biện pháp ñơn giản nhất là ñóng các cọc bổ xung rồi làm bệ cọc mới. Những trường hợp mố ñặt trên nền yếu, có thể bị trượt sâu khi tính toán tăng cường phải xét việc tăng cường cả vùng ñất lân cận mố chứ không chỉ tăng cường kết cấu mố. Nếu ñiều kiện thuỷ văn thay ñổi, lưu lượng dòng lũ tăng lên nhiều so với trước, có nguy cơ xói mòn và lật ñổ mố thì phải xét khả năng kéo dài cầu, thêm nhịp ñể mở rộng khẩu ñộ thoát nước hoặc các biện pháp gia cố lòng suối, gia cố chống sói cho nón mố, ñường ñầu cầu, làm thêm công trình ñiều chỉnh dòng nước. 60 ° 135cm 100cm A A i = 0 . 1 1 4 3 100cm A A 2 Hình 4.24: Tăng cường mố bằng cách xắp xếp ñá sau mố thay cho ñất cũ 1 – Kết cấu nhịp dầm tạm ñể xe chạy qua lúc sửa chữa 2 – Khối ñá mới xếp sau mố ñể giảm áp lực ñẩy ngang 3 – Tường trước mố 4 – Kết cấu nhịp a) 2 43 b) c) Hình 4.25: Tăng cường mố bằng cách làm thêm thanh chống (a) thêm ụ chắn phía trước mố (b), (c) 1 – Thanh chống giữa móng của hai mố; 2 – Ụ chắn 3 – Thanh chống 4 – Ụ chắn. GS.TS. Nguyễn viết Trung- Gíao trình Khai thác, Kiểm ñịnh, Gia cố, Sửa chữa cầu cống Page 152/152 4.8. CÁC CÂU HỎI ÔN TẬP 1/- Các giải pháp kết cấu công nghệ sửa chữa kết cấu nhịp cầu thép. Sửa chữa mặt cầu, Thay thế các ñinh tán và bu lông hỏng, Sửa vết nứt, Sửa chỗ móp méo, Sửa cong vênh, Sơn lại cầu thép 2/- Các giải pháp kết cấu công nghệ sửa chữa kết cấu nhịp cầu BTCT. 3/- Các giải pháp kết cấu công nghệ sửa chữa mố trụ cầu 4/- Sửa chữa cầu ñá, cầu vòm bê tông, cống 5/- Các giải pháp kết cấu công nghệ tăng cường mở rộng kết cấu cầu thép 6/- Tăng cường kết cấu nhịp cầu BTCT, bêtông và ñá xây 7/- Các giải pháp kết cấu công nghệ tăng cường mố trụ cầu. 241 TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Quy trình thiết kế cầu cống theo các trạng thái giới hạn 22TCN 18-79, Bộ Giao thông vận tải. 2. Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22TCN 272-05. 3. PGS.TS. Nguyễn Viết Trung, TS. Hoàng Hà. Cầu Bê tông cốt thép, NXB Giao thông vận tải, Hà Nội 2008. 4. PGS.TS. Nguyễn Viết Trung, Kết cấu nhịp Cầu thép , NXB Xây dựng, Hà Nội 2004. 5. PGS.TS. Nguyễn Viết Trung, KS. Phạm Huy Chính. Các công nghệ thi công cầu , NXB Xây Dựng, Hà Nội 2003. 6. PGS.TS. Nguyễn Viết Trung, Ths. Lê Thanh Liêm, Cọc khoan nhồi trong xây dựng công trình giao thông, NXB Xây Dựng, 2003. 8. Nguyễn Văn Quảng. Chỉ dẫn kỹ thuật thi công và kiểm tra chất lượng cọc khoan nhồi, NXB Xây Dựng, 1998 9. Nguyễn Bá Kế, Sự cố công trình, NXB Xây dựng, Hà nội, 2000. . Gíao trình Khai thác, Kiểm ñịnh, Gia cố, Sửa chữa cầu cống Page 152/152 4.8. CÁC CÂU HỎI ÔN TẬP 1/- Các giải pháp kết cấu công nghệ sửa chữa kết cấu nhịp cầu thép. Sửa chữa mặt cầu, . Nguyễn viết Trung- Gíao trình Khai thác, Kiểm ñịnh, Gia cố, Sửa chữa cầu cống Page 149/152 ðây là phương pháp tăng cường cầu BTCT một cách hiệu quả nhất nhưng ñòi hỏi trình ñộ công nghệ cao. Trung- Gíao trình Khai thác, Kiểm ñịnh, Gia cố, Sửa chữa cầu cống Page 147/152 Chiều cao dầm sẽ tăng lên chút ít làm giảm chiều cao khổ giới hạn gầm cầu. Sức chịu tải của dầm cầu ñược tăng