Luận án thạc sĩ ngành xây dựng công trình giao thông đánh giá kết cấu nhịp cầu dầm BTCT đang khai thác trên đường ô tô theo một số tiêu chuẩn hiện hành

trường đại học giao thông vận tải ---e ừ f--- Phan tiến hoàng đánh giá kết cấu nhịp cầu dầm BTCT đang khai thác trên đường ô tô theo một số tiêu chuẩn hiện hành luận văn thạc sỹ kỹ thu

Trang 1

bộ giáo dục và đào tạo

trường đại học giao thông vận tải

-e ừ f -

Phan tiến hoàng

đánh giá kết cấu nhịp cầu dầm BTCT

đang khai thác trên đường ô tô theo

một số tiêu chuẩn hiện hành

luận văn thạc sỹ kỹ thuật

Trang 2

trường đại học giao thông vận tải

-e ừ f -

Phan tiến hoàng

đánh giá kết cấu nhịp cầu dầm BTCT đang khai thác trên đường ô tô theo một số

tiêu chuẩn hiện hành

luận văn thạc sỹ kỹ thuật

chuyên ngành: xây dựng công trình giao Thông

khoá học: 2002-2005 giáo viên hướng dẫn :pgs.ts: trần đức nhiệm

hà nội -2005

Trang 3

Mục lục

Mở đầu

Các thuật ngữ viết tắt

Chương 1: Tổng quan về công tác kiểm tra và đánh giá

cầu BTCT

1.1 Tổng quan về công tác kiểm tra đánh giá cầu BTCT trên thế giới

1.1.1 Tình hình nghiên cứu các phương pháp kiểm tra kết cấu nhịp cầu BTCT

1.1.2 Tình hình nghiên cứu đánh giá kết cấu nhịp cầu BTCT trên thế giới

1.1.2.1 Giới thiệu chung

1.1.2.2 Xác định mô hình thực trạng vật liệu dựa trên Cơ sở dữ liệu của cầu 1.1.2.3 Tổng quan về các phương pháp đánh giá KCN cầu BTCT

1.2 Hiện trạng hệ thống cầu trên mạng lưới GTĐB Việt Nam

1.3 Hiện trạng công tác kiểm tra, đánh giá cầu ở Việt Nam

1.3.1 Giới thiệu chung

1.3.2 Phân loại công tác kiểm tra

1.3.3 Phương pháp đánh giá

1.4 Tóm tắt một số dấu hiệu hư hỏng và nguyên nhân gây ra các hư hỏng trong các cầu BTCT và BTCT DUL ở Việt Nam

1.4.1 Vỡ

1.4.2 Nứt

1.4.3 Gỉ cốt thép thường

1.4.4 Tình trạng của các cáp dự ứng lực

1.4.5 Mài mòn

1.4.6 Hư hỏng bê tông và cốt thép do các xâm thực hoá học và điện hoá

1.4.7 Thạch nhũ và sản phẩm hư hỏng trên bề mặt bê tông

1.4.8 Chuyển vị và biến dạng lớn

1.4.9 Những sai sót trong thiết kế

1

4

5

6

7

9

12

13

14

15

16

17

18

Trang 4

1.5 Kết luận chương

Chương 2: Những nội dung chủ yếu đánh giá kết cấu nhịp cầu BTCT theo một số tiêu chuẩn hiện hành 2.1 Khái quát chung

2.1.1 Cơ sở lý thuyết chung

2.1.2 Tải trọng dùng để đánh giá

2.2 Quy trình xác định sức chịu tải của kết cấu nhịp cầu dầm BTCT cầu đường bộ Liên bang Nga BCH 32-78

2.2.1 Những quy định

2.2.1.1 Các bài toán được giải quyết trong phạm vi quy trình:

2.2.1.2 Nội dung chính và trình tự các bước đánh giá khả năng chịu tải của kết cấu nhịp

2.2.2 Kiểm tra thu thập số liệu hiện trạng cầu

2.2.3 Xác định nội lực cho phép do hoạt tải gây ra trong các tiết diện của các cấu kiện trong kết cấu nhịp

2.2.4 Xác định mômen uốn và lực cắt trong tiết diện các cấu kiện của kết cấu nhịp

2.2.5 Xác định nội lực trong các cấu kiện chịu lực của kết cấu nhịp do hoạt tải thẳng đứng tiêu chuẩn và xe nặng

2.2.6 Thử nghiệm cầu

2.2.7 Nhận xét

2.3 Quy trình kiểm định cầu trên đường ô tô 22TCN 243-98

2.3.1 Tổng quan

2.3.1.2 Các bước kiểm tra đánh giá cầu

2.3.2 Đánh giá kết cấu nhịp dầm BTCT thường

2.3.2.1 Quy định chung

2.3.2.2 Xác định nội lực cho phép do hoạt tải gây ra

2.3.3 Đánh giá kết cấu nhịp dầm BTCT dự ứng lực

19

20

21

22

23

24

28

29

32

33

34

35

36

38

Trang 5

2.3.3.2 Các đặc trưng vật liệu bêtông, cốt thép

2.3.3.3 Kiểm toán xác định năng lực chịu tải

2.3.4 Nhận xét

2.4 Đánh giá cầu dầm BTCT theo tiêu chuẩn Anh DB 21-93

2.4.1 Kiểm tra phục vụ đánh giá

2.4.1.2 Kiểm tra để xác định tải trọng

2.4.1.3 Kiểm tra để xác định sức kháng

2.4.2 Mục tiêu và phương pháp

2.4.2.2 Trạng thái giới hạn

2.4.2.3 Đánh giá giá trị tải trọng

2.4.2.4 Đánh giá hiệu ứng tải

2.4.2.5 Đánh giá sức kháng

2.4.2.6 Kiểm tra sự phù hợp của kết cấu

2.4.2.7 Đánh giá mỏi

2.4.2.8 Thử tải

2.4.3 Tính chất của vật liệu

2.4.3.1 Cốt thép

2.4.3.2 Cốt thép dự ứng lực

2.4.3.3 Bê tông

2.4.4 Tải trọng

2.4.4.1 Tổng quát

2.4.4.2 Làn xe và việc áp dụng hoạt tải

2.4.4.3 Hoạt tải đánh giá danh định

2.4.4.4 Hệ số chiết giảm cho UDL và KEL

2.4.4.5 Tải trọng đơn trục và đơn bánh

2.4.4.6 Hiệu ứng ly tâm

2.4.5 Phân tích kết cấu

2.4.5.1 Phương pháp phân phối

2.4.5.2 Các giả thiết chấp nhận

38

40

43

44

45

46

47

48

49

50

52

53

55

56

Trang 6

2.4.6 Nhận xét

2.5 Đánh giá cầu BTCT theo AASHTO

2.5.1.1 Triết lý các phương pháp đánh giá cầu theo AASHTO

2.5.1.2 Các mức đánh giá

2.5.1.3 Chỉ số độ tin cậy đánh giá

2.5.2 Các phương pháp đánh giá

2.5.2.1 Đánh giá theo ứng suất cho phép (ưSCP)

2.5.2.2 Đánh giá theo hệ số tải trọng (HSTT)

2.5.3 Phương trình đánh giá

2.5.3.1 Khái quát

2.5.3.2 Đánh giá theo phương pháp ứng suất cho phép (ASR)

2.5.3.3 Đánh giá cầu theo phương pháp hệ số tải trọng (LFR)

2.5.4 Tình trạng của các bộ phận cầu

2.5.5 Các tải trọng

2.5.5.1 Tĩnh tải (D)

2.5.5.2 Hoạt tải đánh giá

2.5.5.3 Tải trọng bánh xe (Mặt cầu)

2.5.5.4 Tải trọng xe tải

2.5.5.5 Tải trọng làn xe

2.5.5.6 Tải trọng đường bộ hành

2.5.5.7 Phân bố tải trọng

2.5.5.8 Xung kích (I)

2.5.5.9 Độ võng

2.5.5.10 Tải trọng dọc cầu

2.5.5.11 Tải trọng môi trường

2.5.5.12 Gió

2.5.5.13 Động đất

2.5.5.14 Tác dụng của nhiệt độ

2.5.5.15 Tác dụng của dòng chảy

2.5.6 Đánh giá cầu theo hệ số sức kháng và hệ số tải trọng (LRFR)

56

58

59

61

62

63

64

65

66

67

Trang 7

2.5.6.2 Hệ thống đánh giá theo hệ số sức kháng và hệ số tải trọng

2.5.6.3.Tiêu chuẩn an toàn cho đánh giá theo hệ số sức kháng và hệ số tải trọng 2.5.7 So sánh LRFR và LFR

2.5.8 Nhận xét

Chương 3 đánh giá kcn cầu btct thực tế theo 22TCN 243-98 và hướng dẫn của aashto (LRFR) 3.1 Khái quát

3.2 Giới thiệu về kết cấu nhịp đánh giá

3.2.2 Kết cấu nhịp

3.2.2.1 Mắt cắt dọc, ngang nhịp N2

3.2.2.2 Các đặc trưng hình học đo đạc được của mắt cắt ngang dầm chủ

3.2.2.3 Bố trí cáp DUL (lấy theo hồ sơ thiết kế)

3.2.3 Vật liệu

3.2.3.1 Bê tông

3.2.3.2 Cốt thép thường

3.2.3.3 Thép DUL

3.3 Đánh giá theo các hướng dẫn của AASHTO

3.3.1 Tính toán nội lực do tĩnh tải

3.3.1.1 Giá trị nội lực do tĩnh tải

3.3.1.2 Nội lực do tĩnh tải

3.3.2 Tính toán nội lực do hoạt tải

3.3.2.1 Xác định các hệ số

3.3.2.2 Tính toán nội lực do hoạt tải

3.3.3 Tính toán sức kháng của tiết diện

3.3.4 Kết quả đánh giá

3.4 Đánh giá theo tiêu chuẩn 22TCN 243-98

3.4.1 Tính toán nội lực do tĩnh tải

70

71

72

76

78

79

80

81

82

83

84

85

86

87

88

Trang 8

3.4.2.1 Hệ số phân bố ngang

3.4.2.2 Hệ số xung kích

3.4.2.3 Tải trọng tương đương

3.4.2.4 Nội lực do hoạt tải

3.4.3 Tính toán khả năng chịu lực của mặt cắt

3.4.3.1 Đặc trưng hình học của dầm

3.4.3.2 Khả năng chịu mômen giữa nhịp

3.4.3.3 Khả năng chịu lực cắt tại gối

3.4.4 Kết quả đánh giá

3.4.4.1 Mômen cho phép do đoàn xe H30 gây ra tại giữa nhịp

3.4.4.2 Mômen cho phép do xe HK80 gây ra tại giữa nhịp

3.4.4.3 Lực cắt cho phép do đoàn xe H30 gây ra tái gối

3.4.4.4 Lực cắt cho phép do xe HK80 gây ra tại gối

Kết luận

Các tài liệu tham khảo

89

90

91

92

93

95

98

Trang 9

Mở đầu Trên hệ thống cầu đường bộ Việt Nam hiện nay có nhiều loại cầu được xây dựng qua nhiều thời kỳ với các giai đoạn lịch sử khác nhau Chúng được thiết kế và thi công theo các tiêu chuẩn, quy trình, quy phạm khác nhau Có thể phân loại cầu theo thời kỳ thiết kế và thi công như sau:

- Trước năm 1954 : theo quy phạm của cộng hoà Pháp

được thiết kế với tiêu chuẩn 22TCN18-79, tải trọng H30, XB80, các Tỉnh

lộ và đường nông thôn thiết theo các tải trọng H18 đến H10

- Thời gian gần đây nhiều cầu của nước ta đã được xây dựng trên cơ sở các quy trình của nước ngoài như tiêu chuẩn thiết kế cầu AASHTO (các dự án cầu trên QL 2, QL 1A ), của Nhật (cầu Kiền, cầu Bính ), của Australia (cầu Mỹ Thuận ), Từ thực trạng này mà công tác quản lý, khai thác, đánh giá và sửa chữa càng thêm phức tạp Do sự phát triển kinh tế của đất nước, hiện nay các cầu trên phải đảm đương một khối lượng vận tải lớn, nhiều khi lâm vào trạng thái quá tải Ngoài ra những cầu của nước ta cũng chịu

ảnh hưởng rất lớn của môi trường Những điều trên dẫn đến việc hư hỏng trên các cầu cũ rất nhiều và rất đa dạng, ảnh hưởng và đe doạ đến sự an toàn của kết cấu công trình và các phương tiện vận tải Khối lượng cầu hiện

có là một tài sản rất lớn của quốc gia, việc đầu tư cho công tác kiểm tra, quản lý, đánh giá và duy tu sửa chữa rất cần được quan tâm

Để tăng tuổi thọ của công trình cầu cũng như để khai thác một cách an toàn các công trình cầu cũ việc thường xuyên phải kiểm tra, đánh giá lại khả năng chịu tải của cầu là rất quan trọng và cần thiết Mục tiêu của việc kiểm tra

và đánh giá cầu là nhằm phát hiện các hư hỏng, đề ra giải pháp xử lý và xác

Trang 10

định chế độ tải trọng cho phép khai thác trên cầu (tải trọng, tốc độ, khoảng cách xe , ) đảm bảo an toàn cho người, phương tiện

Cho đến nay công tác kiểm tra, đánh giá và quản lý chất lượng cầu đã

và đang nhận được quan tâm ngày càng nhiều từ các cơ quan quản lý Bộ Giao thông Vận tải đã ban hành quy trình thử nghiệm cầu 22TCN-170-87, tiêu chuẩn Kiểm định cầu trên đường ôtô 22TCN-243-98, tiêu chuẩn bảo dưỡng sửa chữa thường xuyên đường bộ, Hiên nay công tác kiểm tra và đánh giá cầu ở nước ta chủ yếu dựa trên cơ sở các quy trình, tiêu chuẩn nêu trên, ngoài

ra còn có các quy trình kiểm tra, đánh giá cầu khai thác khác đang được tham khảo và sử dụng ở nước ta như: Quy trình xác định sức chịu tải của kết cấu nhịp dầm BTCT cầu đường bộ BCH 32-78 (Liên xô cũ) Đánh giá cầu đường

bộ và kết cấu BD 21/93 (Vương quốc Anh), đánh giá cầu theo tiêu chuẩn AASHTO (Mỹ) Do công trình cầu ở nước ta được thiết kế theo nhiều tiêu chuẩn khác nhau nên việc áp dụng tiêu chuẩn đánh giá cầu này để đánh giá cầu được xây dựng theo hệ thống tiêu chuẩn khác sẽ gặp khó khăn như các quan điểm tính toán khác nhau, lựa chọn các hệ số tính toán, tải trọng đánh giá, mà nếu không được xem xét cẩn thận có thể dẫn tới các kết quả khác nhau đáng kể

Để góp phần khắc phục tình trạng trên, đề tài nghiên cứu Đánh giá kết cấu nhịp cầu dầm BTCT đang khai thác trên đường ôtô theo một số tiêu chuẩn hiện hành được đặt ra nhằm mục tiêu sau:

Tìm hiểu và nghiên cứu một số tiêu chuẩn đánh giá kết cấu nhịp cầu rầm BTCT cũ trên đường ôtô của Việt Nam và một số nước trên thế giới Đánh giá một công trình cầu theo hai tiêu chuẩn, so sánh kết quả đánnh giá và rút ra kết luận và kiến nghị

Trên cơ sở mục tiêu nghiên cứu trên nhiệm vụ nghiên cứu chính của đề tài là:

1 Tìm hiểu một số tiêu chuẩn đánh giá kết cấu nhịp cầu rầm BTCT trên

đường ôtô của một số nước trên thế giới (Mỹ, Anh, Nga, Việt Nam)

2 Tiến hành đánh giá một công trình cầu theo hai tiêu chuẩn khác nhau (22 TCN 243-98 của Việt Nam và AASHTO của Mỹ), từ đó so sánh và rút ra kết luận của đề tài

Trang 11

Nội dung của đề tài

Phần Mở đầu: Nêu hiện trạng vấn đề và xác lập mục tiêu và nội dung nghiên cứu

Chương I Tổng quan về công tác kiểm tra và đánh giá kết cấu nhịp cầu bê tông cốt thép trên đường ôtô

Trình bày về hiện trạng và công tác kiểm tra, đánh giá cầu BTCT ở Việt Nam, tình hình nghiên cứu đánh giá kết cấu nhịp cầu BTCT trên thế giới và các vấn đề sẽ được giải quyết trong luấn án

Chương II tổng quan về một số phương pháp đánh giá cầu

Trình bày phương pháp đánh giá kết cấu nhịp cầu dầm BTCT theo tiêu chuẩn Việt Nam (22TCN 243-98), phương pháp đánh giá chất lượng kết cấu nhịp cầu dầm BTCT theo tiêu chuẩn Liên xô cũ (BCH 32 - 78), phương pháp

đánh giá chất lượng kết cấu nhịp cầu dầm BTCT theo tiêu chuẩn của Vương quốc Anh (BD 21/93) và phương pháp đánh giá chất lượng kết cấu nhịp cầu dầm BTCT theo các hướng dẫn của AASHTO (Mỹ) tương ứng với các thế hệ tiêu chuẩn thiết kế khác nhau

chương III Tính toán đánh giá cho công trình cầu theo các tiêu chuẩn hiện hành

Lựa chọn một công trình thực tế để đánh giá kết cấu nhịp cầu dầm BTCT theo tiêu chuẩn Việt Nam (22TCN 243-98) và theo các hướng dẫn của AASHTO Trên cơ sở đố so sánh cách đánh giá theo hai phương pháp

Trang 12

các thuật ngữ viết tắt NDT

(Non Destructive Tiêu chuẩn Việt Nam Testing) : Kiểm tra không phá huỷ

Tiêu chuẩn ngành Tiêu chuẩn Việt Nam Trạng thái giới hạn

Bê tông cốt thép

Bê tông cốt thép dự ứng lực Quốc lộ

Tải trọng ngày đêm Trạng thái giới hạn ứng suất cho phép

Hệ số tải trọng Load Factor Rating (Phương pháp đánh giá hệ số tải trọng)

Load Resistance Factor Rating (Phương pháp đánh giá theo hệ

số tải trọng và sức kháng) American Association of State Highway and Transportation Officials (Hiệp hội các viên chức đường bộ và vận tải Mỹ)

Bristish Standard (Tiêu chuẩn Anh)Officials (Hiệp hội các viên chức đường bộ và vận tải Mỹ)

Trang 13

Chương 1 tổng quan về công tác kiểm tra và đánh giá

cầu Bê Tông Cốt Thép

1.1 Tổng quan về kiểm tra, đánh giá các cầu BTCT trên thế giới

1.1.1 Tình hình nghiên cứu các phương pháp kiểm tra kết cấu nhịp cầu

và yêu cầu ngày càng cao của công tác quản lý Hiện nay khó có thể liệt kê hết các thư mục tóm tắt các công trình nghiên cứu trên thế giới về đánh giá, xử

lý hư hỏng của kết cấu BTCT và BTCT DƯL, ở đây chỉ đề cập đến một số quy trình sẽ được xem xét trong luận án

Tại Mỹ và các nước phát triển vấn đề đánh giá khả năng chịu tải của cầu

đang khai thác đã được quan tâm và thực hiện rất bài bản, các nghiên cứu và quy trình do các tổ chức như Cục Đường bộ Liên bang Mỹ [16, 17], AASHTO [9, 10, 11, 12] đều đặn được cập nhật, xuất bản và được nhiều nước trên thế giới (trong đó cóViệt Nam) áp dụng Các quy trình và các kết quả nghiên cứu của Anh [13, 14, 15] cũng là những quy trình được chấp nhận và áp dụng ở nhiều nước

Kiểm tra và đánh giá cầu ở các nước như Liên bang Nga [1], Đức [18],, cũng rất được coi trọng Các quy trình của LB Nga trong đó có quy trình kiểm tra cầu là một trong những cơ sở để xây dựng quy trình kiểm tra và đánh giá cầu ở Việt Nam Trong quy trình của LB Nga việc đánh giá kết cấu nhịp cầu BTCT và BTCT DƯL dựa trên việc khảo sát, đánh giá hư hỏng tại từng bộ phận của công trình để xây dựng mô hình thực trạng của cầu, mô hình này

được điều chỉnh để có sự phù hợp với các kết quả thử nghịêm (tĩnh, động)

Trang 14

Trên cơ sở mô hình thực trạng sẽ tiến hành tính toán để xác định tải trọng khai thác thực tế cho cầu

Qua các tài liệu đã công bố, có thể phân loại tóm tắt những yếu tố gây hư hỏng công trình BTCT và BTCT DƯL thành 4 nhóm chính là chất lượng bê tông, môi trường, thời tiết và các tác động cơ học

Trong đó ảnh hưởng của môi trường, đặc biệt là của các tác nhân hóa học như sunfat, clo và cacbonat được đặc biệt quan tâm Đã có nhiều công trình nghiên cứu về quá trình xâm thực, cơ chế phá hoại bê tông và gỉ cốt thép, ngưỡng ăn mòn cốt thép của các tác nhân trên đã được công bố

Từ những kết quả nghiên cứu về nguyên nhân bản chất và hậu quả của các hư hỏng khuyết tật thường gặp trong vật liệu cũng như trong kết cấu, các nghiên cứu tập trung tìm cách phát hiện xác định các hư hỏng khuyết tật đó Qua các nghiên cứu đã công bố có thể phân loại các số liệu cần thu thập và xử

lý trong chẩn đoán và đánh giá cầu BTCT thành 3 nhóm chính : các số liệu về

bê tông, các số liệu về cốt thép và các số liệu về kết cấu Để thu thập và xử lý

được những số liệu đó phải sử dụng rất nhiều các phương pháp kỹ thuật khác nhau, kể từ những phương pháp đơn giản nhất là tiếp cận và đo đạc kiểm tra bằng các thiết bị đơn giản như thước, kính lúp đến những phương pháp và kỹ thuật NDT với những trang thiết bị hiện đại Những phương pháp và kỹ thuật thông dụng có tính hiệu quả cao thường thấy trong các tài liệu được lập thành Tiêu chuẩn như các Tiêu chuẩn thí nghiệm của AASHTO [10, 11, 12] và ASTM (Mỹ)

1.1.2 Tình hình nghiên cứu đánh giá kết cấu nhịp cầu BTCT trên thế giới

1.1.2.1 Giới thiệu chung

Trước khi tiến hành đánh giá kết cấu nhịp cầu (cầu BTCT nói riêng) cần phải xây dựng mô hình thực trạng của nó Mô hình thực trạng là sơ đồ kết cấu

và tiết diện có tính đến những hư hỏng suy thoái của vật liệu và các suy giảm kết cấu của chúng Các hư hỏng suy thoái của vật liệu bao gồm các hư hỏng khuyết tật bề mặt có thể phát hiện khi kiểm tra trực tiếp tại hiện trường Các hư hỏng bên trong kết cấu hoặc suy thoái các đặc trưng vật liệu có thể phát hiện bằng các phương pháp NDT Các suy thoái kết cấu có thể được nhận biết

Trang 15

qua đánh giá các trạng thái cơ học nhận được khi thử tải ở hiện trường

Nhiệm vụ của đánh giá kết cấu nhịp cầu BTCT là từ các số liệu trong Hồ sơ công trình (nếu có), các số liệu đo đạc kiểm tra, thử tải ở hiện trường để xây

dựng và điều chỉnh mô hình thực trạng của nó, cuối cùng từ mô hình thực trạng đó tiến hành các tính toán đánh giá ở mức độ cao hơn như xác định khả năng chịu lực, độ tin cậy, tuổi thọ

1.1.2.2 Xác định mô hình thực trạng vật liệu dựa trên Cơ sở dữ liệu của cầu

Cơ sở dữ liệu của một công trình cụ thể thường gồm hai phần :

v Phần thứ nhất : Gồm tập hợp các Hồ sơ thiết kế, thi công, hoàn công của công trình, hồ sơ trạng thái của công trình trước khi đưa vào khai thác sử dụng (trạng thái 0), hồ sơ các đợt kiểm tra hàng năm, kiểm tra chi tiết,

kiểm tra đặc biệt dựa vào đó có thể biết được những thông tin cơ bản của cầu về quá trình thiết kế, thi công và khai thác

v Phần thứ hai : Gồm các phương pháp, thuật toán trong lĩnh vực chẩn đoán công trình Đó là các tri thức về hư hỏng vật liệu, về hư hỏng kết cấu, về tác động môi trường, về ảnh hưởng của các hư hỏng khuyết tật đến sự làm việc của công trình mà con người đã biết chính xác hoặc chưa chính xác Có những tri thức đã được đưa vào các Tiêu chuẩn, Quy trình đánh giá công trình, nhưng cũng có các tri thức chỉ là các kinh nghiệm của các chuyên gia Tùy theo từng loại công trình (loại vật liệu, loại kết cấu )

mà vận dụng cho phù hợp Một hư hỏng có thể do nhiều nguyên nhân khác nhau gây ra và nó cũng có thể gây ra nhiều hậu quả khác nhau đối với cầu

1.1.2.3 Tổng quan về các phương pháp đánh giá KCN cầu BTCT

Hiện nay các phương pháp đánh giá kết cấu nhịp cầu BTCT phần lớn vẫn dựa trên triết lý thiết kế theo phương pháp trạng thái giới hạn (TTGH), Triết lý này dựa trên các khái niệm về TTGH là:

- TTGH về phá huỷ do bộ phận công trình đạt tới giới hạn về cường độ, về mỏi hay mất ổn định khiến công trình không sử dụng được nữa Phương trình cơ bản của TTGH biểu diễn dưới dạng:

Q ≤ R (1.1)

Trang 16

Trong đó Q là hiệu ứng tải lớn nhất lên bộ phận công trình do tác động của tải trọng ngoài ở tổ hợp bất lợi nhất R đặc trưng cho khả năng chịu tải tối đa (sức kháng) của bộ phận công trình ở trạng thái hiện tại của nó (các tính chất cơ lý hiện có)

- TTGT mất an toàn cho việc sử dung bình thường như biến dạng, dịch chuyển quá lớn, kết cấu BTCT bị nứt khiến công trình phải hạn chế mức độ khai thác hay phải sửa chữa

Về nguyên tắc điều kiện (1,1) được áp dụng trong đánh giá cho mọi kết cấu

và mọi trường hợp kiểm toán, tuy nhiên trong các tiêu chuẩn kiểm tra và đánh giá cầu người ta phát triển và cụ thể hoá để thuận lợi hơn trong áp dụng

Đánh giá trên cơ sở hiệu ứng của hoạt tải xe:

QL≤ RL (1.2) Tiêu chuẩn đánh giá cầu của Liên Xô (cũ) với dẫn xuất là hiệu ứng của tải trọng chuẩn đơn vị, các đại lượng QL và RL được biến đổi tương ứng thành cấp của tải trọng KL (theo tác động) và cấp của bộ phân kết cấu KR (theo khả năng chịu tải) Như vậy điều kiện đánh giá sẽ là:

KL≤ RR (1.3) Tại Mỹ, song hành với các tiêu chuẩn thiết kế cầu, Hiệp hội đường bộ Hoa

kỳ (AASHTO) đã ban hành đồng bộ các tài liệu kỹ thuật và hướng dẫn đánh giá năng lực chịu tải của cầu cũ (thường gọi là đánh giá tải trọng - Load rating) Thực chất của nguyên lý đánh giá tải trọng cầu theo AASHTO cũng dựa trên điều kiện đánh giá (1.2), thay cho so sánh trực tiếp hiệu ứng của hoạt tải xe với năng lực còn lại của kết cấu, người ta đưa ra chỉ tiêu là hệ số đánh giá tải trọng RF (Rating Factor)

Trang 17

RF = RL/ QL (1.4)

Từ ý nghĩa của RLvà QL ta có thể biểu diễn

RF = (C-A1.D)/(A2L(1+I) (1.5) Với RF – hệ số đánh giá tải trọng cho bộ phận kết cấu đang xét

C - khả năng chịu tải (sức kháng) của bộ phận kết cấu ứng với từng trường hợp chịu tải và hiện trạng công trình

D – Hiệu ứng lực gây ra do tác động của tĩnh tải

L – Hiệu ứng lực gây ra do tác động của hoạt tải xe (là hoạt tải sử dụng

để đánh giá)

A1, A2 là các hệ số tải trọng ứng với từng phương pháp đánh giá (ASR, LFR hay LRFR) hay từng điều kiện đánh giá

I – hiệu ứng động lực của đoàn xe

Như vậy giá trị RF luôn biểu thị khả năng chịu tải, mức độ dự trữ hay thiếu hụt khả năng chịu tải của bộ phận kết cấu RF càng lớn hơn 1 thì bộ phận kết cấu có độ dự trữ càng lớn và ngược lại, ngoài ra theo thời gian tốc độ thay đổi của RF cũng cho phép đưa ra nhận định về sự an toàn khai thác của kết cấu

Từ năm 2001 đến nay chúng ta hiện đang dùng tiêu chuẩn thiết kế cầu 22TCN 272-01 song hành 2 năm cùng với tiêu chuẩn 22TCN 18-79 Tháng 6 năm 2005 Bộ GTVT đã có quyết định đưa vào sử dụng tiêu chuẩn 22TCN 272-05, trước đây có giai đoạn chúng ta đã sử dụng AASHTO spec Xuất phát

từ yêu cầu thống nhất hoá tiêu chuẩn ngành và để phù hợp với thông lệ quốc tế hiện nay việc tìm hiểu để áp dụng các chỉ dẫn đánh giá theo AASHTO là cần thiết

1.2 Hiện trạng hệ thống cầu trên mạng lưới GTĐB Việt Nam

Hệ thống cầu đường bộ nước ta rất phong phú, đến nay mới chỉ thống kê

được số cầu trên hệ thống quốc lộ (QL) và tỉnh lộ (TL) Tình trạng của hệ thống cầu còn nhiều yếu tố kỹ thuật ảnh hưởng đến công tác quản lý và khai thác Việc phân loại cầu còn đang trong giai đoạn nghiên cứu xây dựng tiêu chí đánh giá Trong bảng 1.1 trình bày phân loại cầu theo thời gian khai thác khi thiết kế được trình bày

Trang 18

Bảng 1.1 : Phân loại cầu trên hệ thống đường QL và TL

Chiều dài (m)

Để có một cái nhìn chi tiết về hiện trạng cầu hiện có trên hệ thống QL, trong hình 1.1 và hình 1.2 đã trình bày thống kê chi tiết về các loại cầu hiện

có trên các tuyến QL Cầu được phân thành 5 loại chính theo vật liệu sử dụng trong kết cấu nhịp, bao gồm cầu bê tông cốt thép (BTCT) thường; BTCT dự

ứng lực (BTCT DƯL), thép-BTCT liên hợp; cầu dầm dàn thép; còn lại là các

loại khác Có thể nhận thấy cầu BTCT DƯL chiếm tới 13% về số lượng và 31% về chiều dài

Hình 1.1 : Phân loại cầu trên QL theo số lượng.

BTCT thường 62%

BTCT DƯL 13%

Thép-BTCT

liên hợp 17%

Các loại khác 3%

Dàn thép 5%

Trang 19

Hình 1.2 : Phân loại cầu trên QL theo chiều dài.

BTCT thường 39%

BTCT DƯL 31%

Các loại khác 3%

Dàn thép 7%

Thép-BTCT

liên hợp

20%

Một số đặc điểm của hệ thống cầu ở Việt Nam :

Các đặc điểm chung của hệ thống cầu ở Việt Nam được trình bày khá tỉ mỉ trong một số công trình đã công bố Trong phần này chỉ trình bày một số đặc

điểm cơ bản cho hệ thống cầu ở Việt Nam như sau:

v Có số lượng và chiều dài tương đối lớn

v Đa dạng về chủng loại : Cầu cống Việt Nam được xây dựng từ nhiều loại vật liệu khác nhau như bê tông (BT), bê tông cốt thép (BTCT), bê tông cốt

thép dự ứng lực (BTCT DUL), thép, thép-BTCT liên hợp, gạch, đá Có

nhiều dạng kết cấu nhịp đã được xây dựng : kết cấu nhịp dạng giản đơn, kết cấu nhịp dạng liên tục, kết cấu nhịp dạng khung hẫng chốt giữa, kết cấu nhịp dạng khung T-dầm treo, kết cấu nhịp dạng dàn, kết cấu nhịp dạng vòm, kết cấu nhịp cầu treo dây võng

v Có thời gian xây dựng khác nhau, theo nhiều cấp độ tải trọng khác nhau

Đặc điểm này không chỉ mang tính phổ biến trong phạm vi toàn lãnh thổ

mà còn trong phạm vi miền vùng, thậm chí ngay cả trên cùng một tuyến

v Được thi công và thiết kế theo các Tiêu chuẩn và Quy trình khác nhau (Pháp, Mỹ, Trung quốc, Liên xô (cũ), Việt Nam )

v Nhiều cầu đã tồn tại qua hai cuộc chiến tranh, là mục tiêu đầu tiên bị đánh phá trong chiến tranh

v Hiện nay rất nhiều cầu đang bị xuống cấp trầm trọng do nhiều nguyên nhân

1.3 Hiện trạng công tác kiểm tra, đánh giá cầu ở Việt Nam

Trang 20

1.3.1 Giới thiệu chung :

Trong những năm của hai cuộc chiến tranh giải phóng dân tộc, chúng ta hầu như không có điều kiện để quản lý khai thác và bảo dưỡng hệ thống cầu theo quan điểm tuổi thọ Mục tiêu của quản lý khai thác thời kỳ này là đảm bảo giao thông, giữ vững sự thông suốt các tuyến đường bị đánh phá ác liệt để

đảm bảo cung cấp sức người và sức của cho tiền tuyến

Trong khoảng thời gian từ khi đất nước hoàn toàn thống nhất (1975) cho

đến đầu những năm 90, do điều kiện khách quan, việc quản lý khai thác và bảo dưỡng hệ thống cầu ở Việt Nam cũng vẫn chưa được quan tâm đúng mức Sau chiến tranh, với một cơ sở hạ tầng bị hư hỏng nghiêm trọng, việc xây dựng và khai thác các công trình mới được quan tâm hơn Ngoài một số các Tiêu chuẩn ngành về thử tải cầu Quy trình thử nghiệm cầu 22TCN 1703-

87 , hầu như chưa có một nghiên cứu nào được tiến hành Đã có hàng loạt

các sự cố về hư hỏng của cầu đã xảy ra như sự cố sập cầu Rào (Hải Phòng),

cầu Phong Quang (QL 46), cầu Diên Khánh (QL 1A)

Cho đến đầu những năm 90, nhận thấy tầm quan trọng và hiệu quả của công tác quản lý khai thác các công trình cầu, các nghiên cứu về lĩnh vực này mới được triển khai Một trong những kết quả đáng chú ý là kết quả nghiên

cứu của đề tài KC-10-11 “Lựa chọn công nghệ thích hợp kiểm định các

công trình GTVT“ thuộc chương trình khoa học công nghệ KC 10 trong thời

kỳ 1991-1995 Đề tài được thực hiện tại Viện Khoa học và Công nghệ GTVT Các kết quả của đề tài đã được áp dụng trong công tác kiểm tra và đánh giá cầu thiết thực phục vụ công tác quản lý khai thác, nâng cấp cải tạo các công trình cầu

Năm 1995, dự án ODA “Kiểm tra và đánh giá cầu ở Việt Nam“ do Vương

Quốc Anh tài trợ được thực hiện tại Viện Khoa học và Công nghệ GTVT Kết quả thực hiện Dự án là sự chuyển giao công nghệ kiểm định cầu của Vương quốc Anh (có sửa đổi bổ sung cho phù hợp với điều kiện cụ thể của Việt Nam) Đồng thời một số trang thiết bị trong kiểm định cầu cũng được trang bị

cho đơn vị kiểm tra và đánh giá cầu trong Viện Khoa học và Công nghệ GTVT - BTAU (Bridge Testing and Assessement Unit)

Trang 21

Trong chương trình giảng dạy của các Trường Đại học cho các chuyên ngành Cầu - Hầm, Cầu - Đường đã đưa môn học Kiểm định và tăng cường cầu vào dạy cho sinh viên Môn học này thực sự đã trang bị những kiến thức cần thiết giúp sinh viên có nhận thức về công tác quản lý, kiểm tra và đánh giá cầu Nhiều giáo trình, tài liệu cũng đã được biên soạn [8]

Ngoài ra việc nghiên cứu kiểm tra và đánh giá cầu cũng còn được tiến hành

ở một số Viện nghiên cứu và Trường Đại học như Viện Cơ học (Viện Khoa học tự nhiên và Công nghệ Quốc gia), Đại học GTVT, Đại học Xây dựng, Đại

đường bộ và các cơ quan làm công tác kiểm định khác (như Viện KHCN GTVT, Trường Đại học GTVT, Trường Đại học Xây dựng, ) này đã đảm

đương một khối lượng công việc kiểm tra và đánh giá cầu rất lớn, cho đến nay

về cơ bản đã đáp ứng được yêu cầu của công tác quản lý khai thác cầu

1.3.2 Phân loại công tác kiểm tra :

Theo Tiêu chuẩn kỹ thuật bảo dưỡng đường bộ [5] trong kiểm tra cầu hiện nay có 5 mức độ kiểm tra :

v Kiểm tra thường xuyên : Tiến hành bằng cách tiếp cận, quan sát và ghi nhận tình trạng của những bộ phận công trình chính, cấp kiểm tra là cấp hạt Tuỳ theo tình trạng cầu có thể tiến hành kiểm tra theo tuần, tháng hoặc thường xuyên hơn, số liệu kiểm tra được ghi chép và lưu trữ ở cấp Hạt Khi kiểm tra nếu có gì bất thường thì phải báo cáo lên cấp quản lý cao hơn

v Kiểm tra định kỳ : là hình thức kiểm tra toàn diện công trình cầu do cấp Công ty hoặc cấp Khu/ Sở GTVT thực hiện hai lần trong năm (trước và sau

Trang 22

mùa lũ) Kiểm tra bằng thị sát và sử dụng các thiết bị kiểm tra đơn giản như thước, búa,, cho tất cả các bộ phận của cầu đặc biệt chú trọng kiểm tra các bộ phận cầu có thể bị ảnh hưởng do mưa lũ Số liệu kiểm tra được báo cáo lên cơ quan quản lý cấp trên

v Kiểm tra đột xuất: tiến hành khi có sự cố, hư hỏng xảy ra với cầu do cấp Công ty kết hợp với Khu QLĐB/ Sở GTVT hoặc Cục Đường bộ thực hiện tuỳ theo mức độ sự cố Mục tiêu của kiểm tra là đánh giá tình trạng hư hỏng, xác định nguyên nhân và đề ra giải pháp xử lý

v Kiểm tra đặc biệt : do cấp Khu/ Sở hoặc Cục Đường bộ thực hiện khi các kiểm tra nêu trên phát hiện có sự cố kỹ thuật phức tạp

v Kiểm định: là hình thức kiểm tra rất kỹ lưỡng đối với tất cả các bộ phận công trình cầu để có thể phân tích được mức độ suy thoái của chúng theo hai phương diện kết cấu và vật liệu Kiểm định do Tư vấn thực hiện theo đề cương do cấp có thẩm quyền phê duyệt Kiểm định có các nội dung sau :

♦ Kiểm tra chi tiết lần đầu tiên (lập trạng thái 0 -trạng thái zêro ) :

Đối với công trình mới xây dựng, các công trình mới được nâng cấp, khôi phục thì kiểm tra chi tiết lần đầu tiên để xác lập trạng thái ban đầu của cầu được tiến hành cùng lúc nghiệm thu bàn giao cho đơn vị quản

lý

♦ Kiểm định: được tiến hành theo chu kỳ 5-7 năm hoặc 10 năm một lần

đối với cầu đang khai thác hoặc đã có những dấu hiệu hư hỏng nghiêm trọng Các tư vấn kiểm định cầu phải thu thập số liệu về tình trạng của cầu, thử tải (tĩnh và động) và tiến hành tính toán lại kết cấu nhằm đánh giá hiện trạng và xác định năng lực chịu tải của cầu, trên cơ sở đó quy

định điều kiện khai thác Kết quả kiểm định được lưu trữ Khu/ Sở và Cục Đường bộ

1.3.3 Phương pháp đánh giá :

Việc đánh giá khả năng chịu lực của cầu dựa trên những kết quả của công tác kiểm tra - kiểm định Cụ thể là các vấn đề sau:

v Số liệu về vị trí, mức độ hư hỏng của các bộ phận kết cấu cầu thu thập

được qua đo đạc khảo sát trên cầu

Trang 23

v Sự dịch chuyển, biến dạng của công trình ở trạng thái không tải và trạng thái có tải

32-đến các khuyết tật phát hiện trong quá trình kiểm tra Các Tiêu chuẩn đánh giá của Liên Xô (cũ) và Tiêu chuẩn ngành của Việt Nam đều dựa trên Quy trình

thiết kế cầu của Liên Xô (cũ) ban hành năm 1967 Việc tính toán phân tích kết

cấu cầu có thể sử dụng các phần mềm phân tích kết cấu thông dụng như SAP, STAAD III hoặc các chương trình khác

1.4 Tóm tắt một số dấu hiệu hư hỏng và nguyên nhân gây ra các hư hỏng trong các cầu BTCT và BTCT DƯL ở Việt Nam :

Dựa trên các kết quả nghiên cứu và kiểm tra cầu BTCT và BTCT DƯL ở Việt Nam, đã cho những đánh giá ban đầu về dấu hiệu hư hỏng và nguyên nhân gây hư hỏng, có thể tóm tắt như sau :

Trang 24

Một loại vết nứt khác là các vết nứt có cấu trúc ( structural crack) Các vết

nứt này thường có thể nhận biết bằng mắt thường và có bề rộng từ 0.10 mm trở lên Các vết nứt này kéo dài và phân bố theo một quy luật nào đó

Vết nứt được đặc trưng bởi 3 thông số chính : chiều dài, bề rộng và độ sâu vết nứt Kiểu và dạng vết nứt sẽ cung cấp những thông tin giải thích về nguyên nhân Các vết nứt có thể là vết nứt vuông góc với trục dầm, các vết nứt xiên góc tại khu vực gần gối, các vết nứt dọc theo vị trí thanh cốt thép Vết nứt là một cửa ngõ để các tác nhân gây xâm thực phá hoại cốt thép và bê tông Các vết nứt có thể được phân loại theo nhiều cách :

v Các vết nứt hình thành khi đổ bê tông

v Các vết nứt do nhiệt

v Các vết nứt do co ngót

v Các vết nứt do tác động của môi trường

v Các vết nứt do các nguyên nhân khác như hỏa hoạn, vượt tải, chênh lún, va chạm, các tải động phụ của cốt thép dự ứng lực

Hậu quả có thể của các vết nứt cần được xem xét một cách tổng quát dựa trên các đặc điểm như nguyên nhân, vị trí, số lượng, điều kiện môi trường và

điều kiện khai thác của cầu Đặc biệt các vết nứt có cấu trúc trong kết cấu BTCT DƯL cho thấy đã có những vấn đề nghiêm trọng về khả năng chịu lực của cầu

1.4.3 Gỉ cốt thép thường :

Gỉ cốt thép là hiện tượng thường gặp trong kết cấu BTCT nói chung và kết cấu BTCT DƯL nói riêng Một trong những nguyên nhân chính là các tác

Trang 25

nhân xâm thực làm thay đổi tính chất của bê tông trong vùng chứa cốt thép ở giai đoạn đầu rất khó phát hiện ra gỉ, song dần dần sẽ xuất hiện những vết ố trên bề mặt bê tông và đôi khi xuất hiện những vết rạn nứt dọc theo cốt thép

do chịu lực của khối lượng thép gỉ ngày càng tăng lên làm trương nở thể tích

bê tông Cuối cùng những vết nứt như vậy sẽ làm cho bê tông bị vỡ và làm cho cốt thép bị lộ ra, tốc độ gỉ tăng nhanh hơn và làm vỡ vật liệu kết cấu Trong một số trường hợp những vết ố do gỉ có thể bắt nguồn từ những thanh cốt thép cấu tạo bị ăn mòn Trong một số cầu mới, cốt thép bị gỉ vì đã bị phơi lộ quá lâu trước khi đổ bê tông

1.4.4 Tình trạng của các cáp dự ứng lực :

Thường thì không thể kiểm tra bằng mắt các cốt thép DƯL, bởi vì các cốt thép DƯL nằm trong bê tông hoặc là chúng được lồng vào những ống đặt trong bê tông Các cốt thép DƯL có thể bị gỉ, đứt và ảnh hưởng đến khả năng khai thác của cầu Sự suy giảm tiết diện cốt thép DƯL, sự mất mát DƯL trong cốt thép DƯL là nguyên nhân gây ra các sự cố nghiêm trọng đối với các cầu BTCT DƯL Hiện nay đây vẫn là một vấn đề lớn trong đánh giá cầu BTCT DƯL

1.4.5 Mài mòn :

Các tác động cơ học gây ra bởi con người, thời tiết hoặc dòng nước gây ra mài mòn bề mặt kết cấu BTCT, gây hư hỏng trên bề mặt Đây là hiện tượng lớp vữa bề mặt hoặc cấp phối bị bong dần từng lớp một

1.4.6 Hư hỏng bê tông và cốt thép do các xâm thực hóa học và điện hóa :

Trang 26

sẽ thấm xuống các gối cầu hoặc các khu vực bị rỗ, đặc biệt là những vị trí kết cấu bê tông mỏng Do bị rò và thấm nước, các hợp chất tạo nên độ rắn chắc của bê tông bị phân hoá Tác động của hiện tượng này rất dễ thấy dựa vào những vết ố, sự tích lũy của các sản phẩm gỉ cốt thép tại các vết nứt, và việc xuất hiện những thạch nhũ trên bề mặt bê tông

Đây có thể là do hậu quả của nhiều nguyên nhân :

v Hiện tượng xâm thực hóa học đã xảy ra trong bê tông

v Trong thành phần của bê tông có chứa clo và các dẫn xuất của của nó

1.4.9 Những sai sót trong thiết kế

Những sai sót trong thiết kế thường là nguyên nhân gây ra các hư hỏng đã trình bày ở trên Những sai sót thường gặp là :

Trang 27

v Đồ án thiết kế có những điểm vi phạm Tiêu chuẩn, Quy trình thiết kế về kích thước mặt cắt, lượng cốt thép tối đa hoặc tối thiểu, chiều dày lớp bê tông bảo vệ, mối nối cốt thép, chủng loại cốt thép không thỏa mãn các

điều kiện của Tiêu chuẩn, Quy trình

v Có những vấn đề còn đang nghiên cứu, chưa hoàn thiện như hiệu ứng của tải trọng động hoặc mỏi, những vấn đề về bê tông cường độ cao, hiện tượng

co ngót và từ biến của bê tông cường độ cao, ảnh hưởng của các phụ gia tăng cường độ và độ sụt

1.4.10 Những sai sót trong thi công :

v Dùng loại vật liệu không đúng quy cách thiết kế (loại xi măng, loại đá,

loại cốt thép, nước có chứa clo, sulphates )

v Bảo quản vật liệu kém

v Ván khuôn, dàn giáo thi công không đúng thiết kế

v Không đảm bảo cấp phối bê tông, trình tự đổ bê tông, vị trí cốt thép

v Không tuân thủ các quy định trong quá trình căng kéo cốt thép DƯL

v Bảo dưỡng kém

v Các cầu BTCT và BTCT DƯL chiếm một tỉ lệ tương đối lớn trong hệ thống các cầu trên các quốc lộ của Việt Nam Các cầu BTCT và BTCT DƯL ở Việt Nam có nhiều loại kết cấu nhịp khác nhau, nhiều loại mặt cắt ngang khác nhau Được thiết kế và thi công theo nhiều thời kỳ khác nhau dựa trên các Tiêu chuẩn thiết kế khác nhau

v Công tác kiểm tra đánh giá cầu đang khai thác được nghiên cứu từ lâu trên thế giới và đã thu được nhiều kết quả quan trọng Hiện nay công tác này

đang ngày càng được quan tâm ở Việt Nam và bước đầu đã có những kết quả nhất định Việc tìm hiểu, nghiên cứu so sánh một số tiêu chuẩn đánh giá kết cấu nhịp cầu dầm BTCT đang khai thác trên đường ôtô của Việt Nam và một số nước trên thế giới là cần thiết

v Trong chương này cũng đã tiến hành hệ thống hoá các dấu hiệu hư hỏng

điển hình và nguyên nhân gây ra các hư hỏng trong các cầu BTCT và BTCT DƯL ở Việt Nam

Trang 28

Chương 2 Những nội dung chủ yếu đánh giá kết cấu nhịp cầu

BTCT theo một số tiêu chuẩn hiện hành

2.1 Khái quát chung

2.1.1 Cơ sở lý thuyết chung

Như đã đề cập ở 1.1.2.3, xuất phát từ yêu cầu đảm bảo khả năng chịu lực,

để kết cấu làm việc bình thường, điều kiện đánh giá chung biểu diễn dưới dạng bất đẳng thức:

Q ≤ R (2.1) Trong đó:

Q- biểu thị hiệu ứng lớn nhất mà bộ phận kết cấu sinh ra do tác động của tải trọng dùng để đánh giá ở tổ hợp bất lợi nhất

R- biểu thị khả năng chịu tải tối đa (sức kháng) của bộ phận kết cấu tương ứng với tình trạng kỹ thuật hiện tại của nó

Nếu (2.1) thoả mãn thì bộ phận kết cấu đó được xem là đủ khả năng chịu tải, ngược lại thì bộ phận kết cấu đó không đủ khả năng chịu tải và đòi hỏi phải có biên pháp xử lý

Về nguyên tắc điều kiện (2.1) được áp dụng cho mọi kết cấu, tải trọng và tất cả các trường hợp kiểm toán Trong các quy trình đánh giá từ điều kiện (2.1) người ta phát triển và đưa ra một số điều kiện đánh giá tương đương nhưng cụ thể và tiện dụng hơn Ngoài ra các quy trình cũng quy định đưa ra các nguyên tắc cụ thể về kiểm tra, tính toán lại kết cấu nhằm xác định giá trị của Q

Trang 29

giảm hệ số làn xe, cách xác định hệ số xung kích,

* Cách xếp tải theo phương dọc cầu

* Cách tính hệ số phân phối ngang của tải trọng ô tô

* Tổ hợp tải trọng và các hệ số tải trọng trong từng tổ hợp

Các hoạt tải ôtô đưa vào tính toán theo quy trình của Liên bang Nga cũng như trong các tiêu chuẩn thiết kế 22TCN 18-79 và quy trình kiểm định cầu trên đường ôtô 22TCN 243-98 là đoàn xe H10, H13, H18, H30 xe nặng X60

và XB80, tải trọng đoàn người là 300 kg/m2 Việc tính toán theo trình tự: xác

định hệ số phân bố ngang theo phương pháp gối đàn hồi, xếp tải tính nội lực (mômen uốn và lực cắt) tại dầm biên và dầm trong Nội lực được tính gồm tải trọng tiêu chuẩn và tải trong tính toán (có xét hệ số vượt tải và xung kích) Các hoạt tải ô tô theo AASHTO đưa vào tính toán là đoàn xe H 15-44, HS 15-44, H 20-44, HS 20-44 hoặc các tải trọng làn tương ứng tuỳ trường hợp nào gây bất lợi hơn Ngoài ra theo yêu cầu khai thác cần cấp phép cho một xe bất

kỳ qua cấu với tải trọng và kích thước xác định ta sử dụng tải trọng đó để tính toán

2.2 Quy trình xác định sức chịu tải của kết cấu nhịp dầm BTCT cầu

đường bộ Liên bang Nga BCH 32-78 :

2.2.1 Những quy định chung :

Quy trình BCH 32-78 do Viện Nghiên cứu và Khảo sát thiết kế đường quốc gia Liên bang Nga và Viện nghiên cứu đường Bê la rut lập

2.2.1.1 Các bài toán được giải quyết trong quy trình bao gồm:

v Xác định khả năng chịu hoạt tải thẳng đứng tiêu chuẩn của kết cấu nhịp Trị số này được sử dụng làm cơ sở để cắm các biển báo tải trọng cho cầu

v Xác định khả năng thông qua của kết cấu nhịp với một xe nặng

v Sức chịu tải của kết cấu nhịp biểu thị qua hoạt tải thẳng đứng tiêu chuẩn (đoàn xe) và tải trọng xe nặng đơn chiếc

Trang 30

v Khả năng chịu tải của kết cấu nhịp được lấy theo khả năng chịu tải của bộ phận kết cấu yếu nhất (dầm chủ, dầm ngang, bản mặt cầu )

2.2.1.2 Nội dung chính và trình tự các bước xác định khả năng chịu tải của kết cấu nhịp bao gồm:

v Khảo sát hiện trạng công trình và thu thập số liệu qua hồ sơ kỹ thuật

v Xác định những tiết diện tính toán trong các bộ phận kết cấu và xác định nội lực tới hạn tại các tiết diện đó theo điều kiện cường

độ và độ bền chống nứt

v Xác định nội lực cho phép [S]cp do hoạt tải tại các tiết diện tính toán, tức là nội lực tối đa cho phép đạt đến tại tiết diện khi chịu hoạt tải có xét đến tĩnh tải của kết cấu

v Thử nghiệm kết cấu nhịp nhằm hoàn chỉnh sơ đồ tính toán của kết cấu nhịp trong những trường hợp cần thiết

v Tính toán với các hoạt tải bất lợi trên sơ đồ tính đã hoàn chỉnh để xác định nội lực Sht do hoạt tải đó gây ra trong các tiết diện lựa chọn Khả năng chịu tải của kết cấu nhịp được lựa chọn phải thoả mãn điều kiện Sht ≤ [s]cp

v Trong trường hợp có đầy đủ hồ sơ kỹ thuật, có thể xác định được toàn bộ kích thước, tình trạng hư hỏng của công trình thì được phép xác định sức chịu tải bằng khảo sát và tính toán mà không cần thử nghiệm

v Khi xây dựng mô hình tính toán cần xét đến kích thước, tình trạng thực tế của các bộ phận kết cấu và sự phân bố tải trọng thực tế do hoạt tải giữa các cấu kiện Các hệ số vượt tải, xung kích, hệ số làn

xe ứng với đoàn xe và xe đơn chiếc lấy theo quy trình thiết kế

Với kết cấu BTCT sức chịu tải của kết cấu nhịp được tính toán từ

điều kiện cường độ và độ bền chống nứt của các cấu kiện của nó Khi có

cơ sở cho phép không cần tính theo độ bền chống nứt (chẳng hạn cầu cũ trong

Trang 31

kết cấu nhịp đã có vết nứt rộng hơn 0,2 mm hay cầu tạm) Đối với xe nặng

đơn chiếc chỉ kiểm toán theo điều kiện cường độ

2.2.2 Kiểm tra thu thập số liệu hiện trạng cầu :

Khi khảo sát, thu thập số liệu về cầu cần xác định các thông số sau:

v Xác định năm thiết kế, xây dựng và hoạt tải thiết kế theo hồ sơ kỹ thuật hay tài liệu lưu trữ

v Cấu tạo hình học đầy đủ của kết cấu nhịp

v Thiết kế điển hình đã dùng để xây dựng cầu (nếu có)

v Các tài liệu, hồ sơ quản lý khai thác, hồ sơ kiểm định các lần trước

v Bố trí cốt thép, số lượng và chủng loại theo hồ sơ thiết kế, hồ sơ hoàn công hay chụp ảnh xuyên

v Mác bê tông thiết kế và thực tế

v Những hư hỏng ảnh hưởng đến khả năng chịu tải và cách điều chỉnh mô hình tính toán trình bày trong bảng 2.1 Những hư hỏng này thu thập bằng cách đo trực tiếp trên cầu

Trang 32

ghép, vết nứt rộng hơn 0,2 mm, chất

lượng thấp của bê tông chèn trong các

cấu kiện BTCT lắp ghép

hưởng ngang thực tế của các hệ số phân bố nội lực giữa các dầm chủ

2.2.3 Xác định nội lực cho phép do hoạt tải gây ra trong các tiết diện của

các cấu kiện trong kết cấu nhịp :

v Nếu sức chịu tải được tính cho xe đơn chiếc (xe xích hay xe bánh) thì

nội lực do hoạt tải gây ra tính theo các công thức sau:

• Theo điều kiện cường độ :

S - Nội lực giới hạn (mômen uốn, lực cắt ) mà tiết diện của cấu kiện phải

chịu theo điều kiện cường độ;

nk - Hệ số vượt tải của tải trọng đơn chiếc

Trị số tính toán [S] sẽ là trị số nhỏ nhất trong hai trị số tính toán trên

v Nếu sức chịu tải được tính cho đoàn xe thì nội lực cho phép do hoạt tải gây ra tính theo các công thức sau:

• Theo điều kiện cường độ :

Trang 33

Trong đó:

nt, St – Hệ số vượt tải và nội lực tiêu chuẩn trong các tiết diện của cấu kiện

do tải trọng người đi trên lề bộ hành

na, (1+à), ε – Hệ số vượt tải, hệ số xung kích và hệ số làn xe đối với đoàn

xe Các giá trị này được lấy tương tự như quy định trong tiêu chuẩn thiết kế cầu CH 200-62

Mu – mômen uốn toàn phần trong tiết diện cấu kiện, tính theo tiêu chuẩn thiết kế cầu hiện hành;

Ru – cường độ tính toán của cốt thép theo tiêu chuẩn thiết kế sử dụng;

mf – Hệ số xét đến hư hỏng của tiết diện cấu kiện, nếu không có hư hỏng

nf=1,0;

[σa] – ứng suất cho phép trong cốt thép theo tiêu chuẩn của năm thiết kế;

mv - hệ số làm việc đối với cấu kiện của hệ lưới dầm của cầu đổ tại chỗ có xét đến hiệu ứng vòm (bảng 2.2);

Bảng 2.2 Hệ số làm việc của cấu kiện

Bản mặt cầu với tỉ số giữa các cạnh 2/3 < a/b < 3/2 1,25 Bản mặt cầu với tỉ số cạnh ngắn trên cạnh dài 2/3 < a/b < 3/2 1,10 Các nhịp giữa của các dầm phụ nhiều nhịp ngang và dọc 1,20 Dầm ngang một nhịp và các dầm biên của dầm phụ nhiều nhịp ngang và

dọc

1,10

Trang 34

v Tại các tiết diện gối của các cấu kiện chịu uốn bằng BTCT thường khi không có số liệu về cốt thép thì lực cắt giới hạn được xác định như sau:

ma.tx, ma.d - Hệ số điều kiện làm việc đối với thanh xiên và cốt đai

Ra.tx, Ra.d – cường độ tính toán của cốt thép đối với thanh xiên và cốt đai

Ru – cường độ chịu nén thực tế của bê tông khi uốn

[σa]tx, [σa]d – ứng suất cho phép đối với thanh xiên và cốt đai theo tiêu chuẩn của năm thiết kế

h, b – chiều cao tiết diện ngang của cấu kiện và bê tông bản bụng

α - Góc, tính bằng radian, lấy bằng π/4 với dầm và π/6 với bản

c = γ.h – chiều dài hình chiếu của tiết diện nghiêng tới hạn

Trang 35

Trong đó:

∆ = 0,02 cm – trị số giới hạn của độ mở rộng vết nứt

ψ1, ψ2 – các thông số lấy theo quy trình

r r

M n

d h σ

= - số lượng bình quân các thanh cốt thép chịu lực

Rcko = ứng suất kéo chính giả định của bê tông lấy theo tiêu chuẩn

z = 0,765h – tay đòn của ngẫu nội lực

b, h – chiều rộng bản bụng và chiều cao dầm

mbh – hệ số lấy theo (2.5)

v Các hệ số xét đến hư hỏng thực tế của kết cấu, xác định theo công thức:

m f = m ab m bh (2.11) Trong đó:

m ah = (1 - 4δ/d) – hệ số xét đến hư hỏng của cốt thép

m bh = z 1 / z 1 – hệ số có xét đến sự thay đổi của mác bê tông so với mác thiết

kế hoặc có sự nứt vỡ của bê tông ở mặt chịu nén

δ - chiều sâu gỉ ăn mòn cốt thép

d - đường kính cốt thép

z = 0,765h – tay đòn của ngẫu nội lực

z 1 , z 1 – cánh tay đòn nội ngẫu lực ứng với hai trường hợp:xét giá trị thực tế và

xét giá trị thiết kế của các đại lượng: mác bê tông, chiều rộng mặt chịu nén, diện tích cốt chịu lực và chiều cao chịu lực của tiết diện

Trang 36

2.2.4 Xác định mô men uốn và lực cắt trong tiết diện các cấu kiện của kết

cấu nhịp :

Mômen uốn Mu và lực cắt Q được xác định bằng trị số nội lực lớn nhất trong tất cả các tổ hợp chính của hoạt tải và tĩnh tải thẳng đứng theo tiêu chuẩn thiết kế tương ứng

Sơ đồ và kích thước của hoạt tải thẳng đứng, quy tắc bố trí hoạt tải, hệ số làn xe, hệ số động lực lấy theo tiêu chuẩn thiết kế tương ứng

Nội lực trong bản mặt cầu được xác định cho một đơn vị chiều rộng của tiết diện ngang Tải trọng do lực tập trung P tác dụng lên một đơn vị diện tích

a x b được phân bố qua lớp mặt có chiều dày H trên bề mặt bản xuống một diện tích có các cạnh là a1 = a + 2H và b1= b + 2H

Các bản tựa trên các dầm dọc và dầm ngang có tỉ lệ chiều dài bản trên chiều rộng bản lớn hơn 2 được xem như bản dầm với nhịp dọc theo cạnh ngắn Khi tính toán mô men uốn giữa nhịp lb hoặc la, chiều rộng làm việc a hoặc

b của bản dầm lấy như sau: nếu trên bản có một tải trọng hoặc nhiều tải trọng

mà chiều rộng tác dụng của chúng không đè lên nhau, thì khi bản làm việc với nhịp lb lấy a = a1+l3/h nhưng không bé hơn 2/3 lb Còn khi bản làm việc với nhịp la (hình 1.2b) lấy b = b1+l3/3 nhưng không bé hơn 2/3 la, còn nếu trên bản có một số tải trọng và chiều rộng tác động của chúng đè lên nhau thì khi bản làm việc với nhịp lb (hình 1.2.b) lấy b=c1+b1+la/3 nhưng không bé hơn c+c1; đồng thời trong tính toán lấy tổng trọng lượng các tải trọng trong phạm

vi chiều rộng làm việc

Khi tính toán lực cắt ở các tiết diện gối, chiều rộng làm việc a hoặc b của bản dầm lấy riêng cho từng tải trọng tuỳ theo vị trí của nó dọc theo nhịp tính toán, sau đó lấy tổng các nội lực của các tải trọng này (hình 1.4 a,b): a = e nhưng không bé hơn 2/3 lb; a = a1+lb/3 nhưng không bé hơn 2/3 lb; b= c+c1nhưng không bé hơn 1/3 lb; b= c1+b1+la/3 nhưng không lớn hơn c+c1

Chiều rộng làm việc của bản công xôn với tải trọng đặt cách chân công xôn một đoạn c (hình 1.5) lấy bằng a = a1+0,8 c nhưng không bé hơn 1,5 c

Trang 37

Nội lực trong các bản dầm (trừ bản công xôn) xác định theo bảng 2.3

Bảng 2.3 Nội lực trong các bản dầm

Giữa nhịp Gối Chiều dày bản bé hơn 1/4 chiều cao dầm

2.2.5 Xác định nội lực trong các cấu kiện chịu lực của kết cấu nhịp do hoạt

tải thẳng đứng tiêu chuẩn và xe nặng

v Nội lực trong các cấu kiện chịu lực của kết cấu nhịp được xác định

có xét đến sự làm việc không gian của kết cấu Tại các vị trí có hư hỏng nội lực trong các tiết diện được xác định theo các biểu đồ bao mômen và lực cắt

v Nội lực trong các tiết diện tính toán chủ yếu do hoạt tải thẳng

đứng được xác định bằng tính toán và kết quả thử nghiệm hiện trường Khi nội lực tính toán và nội lực thử nghiệm sai lệch nhau trên 15% thì lấy trị số thử nghiệm để tính toán có xét đến sai số đo

đạc,còn nếu độ sai lệch nhỏ hơn 15% thì lấy giá trị nội lực lớn hơn

Trang 38

( ) 0 ( ) / 2 / 2 0

K - hệ số phân bố ngang đối với mômen uốn ở giữa nhịp của dầm i

m0 = 1,0 đối với tải trọng người đi

m0 = 1,05 với tải trọng xe

v Lực cắt ở tiết diện giữa của dầm i do tải trọng đoàn xe tính theo công thức:

( )i

db

K - hệ số phân bố ngang đối với dầm i tính theo nguyên tắc đòn bẩy

l - chiều dài tính toán của nhịp

j = 1, 2, m số hiệu của các trục tải trọng trên nửa nhịp bên trái theo đường