Ứng dụng dưl ngoài trong sửa chữa nâng cấp cầu

Bêtông được ép trước tạo độ chặt,độ kín nước và kín khí độc, do đó tăng tuổi thọ của kết cấu, đặc biệt tuổi thọ chịumỏi.Như vậy kết cấu bêtông dự ứng lực có thể triệt tiêu được ứng suất

CHƯƠNG 1:

GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CẦU BTCT VÀ

BTCT DƯL 1.1 Giới thiệu chung ve à ca à u BTCT:

Ngay từ khi ngành sản xuất thép mới ra đời, người ta đã nghĩ tới việc đặt cốtthép trong bêtông để tận dụng khả năng của mỗi loại vật liệu Chiếc cầu bêtôngcốt thép đầu tiên ra đời vào năm 1875 tại Pháp do kỹ sư Monle thiết kế, cầu códạng vòm dài 16m, rộng 4m cho người đi bộ Trong những năm tiếp theo, các cầubê tông không được phát triển rộng rãi nữa vì thiếu những cơ sở tính toán và số liệunghiên cứu về khả năng chịu lực của kết cấu BTCT

Đến cuối thế kỷ 19, thì cầu BTCT bắt đầu phát triển rộng rãi với sự áp dụngphương pháp tính toán ứng suất cho phép Sang đầu thế kỷ 20, cầu BTCT được pháttriển ngang với cầu thép, gỗ Ban đầu, cầu BTCT thường có dạng kết cấu bản dầm,vòm, dần dần các nhịp cầu bắt đầu được xây dựng dài hơn (cầu Stockhon ThụyĐiển nhịp dài 181m, cầu Eooe Pháp có 3 nhịp, mỗi nhịp dài 186m, cầu Esla TâyBan Nha 3 nhịp, mỗi nhịp dài 205m …)

Sau chiến tranh thế giới thứ II, các cầu BTCTDƯL bắt đầu phát triển rộng rãi ởchâu Âu Với sự ứng dụng của công nghệ BTCTDƯL, hàng loạt cầu có nhịp lớn đãđược hình thành với nhiều kiểu dáng khác nhau (cầu dây văng, dây võng, cầuvòm…)

1.2 Đặc điểm của ca à u BTCT DƯL:

Khuynh hướng tăng chiều dài kết cấu nhịp cầu bêtông cốt thép dẫn tới ý tưởngsử dụng vật liệu cường độ cao, trong đó cường độ bêtông có thể đạt tới cấp 40- 60MPa hoặc hơn, cốt thép cường độ cao có thể đạt 1800- 1900 MPa Sử dụng vật liệucường độ cao có lợi về mặt kinh tế vì có thể giảm khối lượng vật liệu, hạ giá thànhriêng (giá thành trên đơn vị cường độ vật liệu) Tuy nhiên, để đạt được cường độ

cao trong cốt thép thì trong bêtông thường xuất hiện các vết nứt, làm gỉ cốt thép,giảm tuổi thọ công trình Để bêtông không bị nứt khi chịu kéo thì có thể dùng cốtthép tạo lực nén trước cho phần bêtông chịu kéo Bêtông được ép trước tạo độ chặt,độ kín nước và kín khí độc, do đó tăng tuổi thọ của kết cấu, đặc biệt tuổi thọ chịumỏi.

Như vậy kết cấu bêtông dự ứng lực có thể triệt tiêu được ứng suất kéo trongbêtông, ngăn ngừa các vết nứt và sử dụng được bêtông và cốt thép cường độ cao,giảm trọng lượng bản thân và tăng chiều dài nhịp Bêtông dự ứng lực làm tăng độcứng của kết cấu chịu uốn, vì tiết diện làm việc như một tiết diện nguyên gồm tấtcả các loại vật liệu cấu thành tiết diện, trong khi đó với dầm bêtông cốt thép, phầnbêtông chịu kéo không tham gia làm việc, nhưng tham gia vào tải trọng cần gánhchịu

1.2.1 Kết cấu căng trước:

Kết cấu căng trước được thực hiện trên nguyên tắc căng trước cốt thép trên bệcố định hoặc trên ván khuôn thép đủ chịu lực căng, đặt cốt thép thường và đổbêtông dầm Sau khi bêtông đã đạt cường độ mới cắt cốt thép để truyền trực tiếplực căng vào kết cấu

1.2.2 Kết cấu căng sau:

Kết cấu căng sau, hay còn gọi là kết cấu căng trên bêtông là kết cấu trong đódầm được chế tạo trước, trong dầm có chừa sẵn các lỗ để luồn các bó cốt thépSau khi bêtông đạt đủ cường độ, tiến hành căng cốt thép, tựa vào hai đầu dầmđể truyền lực nén vào bêtông Lực căng trước được giữ bằng các neo bố trí ở haiđầu bó dây, tì trực tiếp lên bêtông đã đông cứng Việc căng kéo các bó cáp thườngthực hiện bằng các kích thủy lực

Trong kết cấu căng sau, thường dùng các bó cốt thép nhiều sợi, các tao cáp 7sợi đường kính 12,7mm, 15,2mm hoặc bó lớn gồm nhiều tao

Sau khi căng và neo giữ cốt thép, nếu ống bọc cáp được bơm đầy vữa thì kếtcấu được gọi là có dính kết giữa thép và bêtông, nghĩa là sau khi vữa khô cứng, cốtthép và bêtông không thể trượt lên nhau, biến dạng của cốt thép và bêtông trongmỗi tiết diện đều bằng nhau, bêtông và cốt thép cùng làm việc như một tiết diệnliên hợp.

Nếu ống bọc không được bơm vữa, thì kết cấu được gọi là không dính kết, trongđó khi chịu lực, cốt thép và bêtông với biến dạng khác nhau có thể trượt tự do lênnhau Trường hợp này, khi chịu tải kết cấu làm việc như một dầm được tăng cườngbằng một thanh căng

Các bó cốt thép trong kết cấu căng sau có thể đặt trong hoặc ngoài bêtông, nếubó cốt thép đặt ngoài ta gọi là kết cấu căng ngoài Kết cấu căng ngoài thường làkết cấu không dính kết

Kết cấu căng ngoài có những đặc điểm sau:

 Cốt thép nằm ngoài bêtông nên dễ kiểm tra thay thế

 Cốt thép căng ngoài có thể dùng trong các thiết kế mới hoặc kết cấu cầucũ, khi cần sữa chữa tăng cường khả năng chịu tải của cầu

 Do cốt thép không nằm trong bêtông nên kích thước dầm có thể nhỏ hơnvà chế tạo đơn giản hơn

 Cốt thép căng ngoài do không có dính bám nên khi bị hỏng neo thì cả bóhết tác dụng lực căng

 Cốt thép căng ngoài làm việc không dính bám nên có độ võng lớn hơn

CHƯƠNG 2:

CÁC DẠNG HƯ HỎNG VÀ NGUYÊN NHÂN GÂY RA HƯ HỎNG

TRONG CẦU BTCT2.1 Các dạng hư hỏng thường gặp:

Trong quá trình khai thác sử dụng, các công trình cầu BTCT đã xuất hiện mộtsố khuyết tật:

2.1.1 Xuất hiện vết nứt: (nứt bản mặt cầu, nứt dầm ngang, dầm dọc…)

Bêtông là vật liệu chịu nén tốt, khả năng chịu kéo kém, do đó các vết nứtthường xuất hiện trong các vùng bêtông chịu kéo Các vết nứt này dần dần mởrộng và gia tăng gây ảnh hưởng bất lợi đến khả năng khai thác của công trình Khixuất hiện các vết nứt, nước sẽ ngấm vào bên trong cấu kiện, làm gỉ, gây sự trươngnở cốt thép dẫn đến khả năng dính bám giữa bêtông và cốt thép ngày càng giảmđi

Vết nứt bản mặt cầu và dầm ngang sẽ làm mất đi tính toàn khối, không còn khảnăng phân bố lực đồng đều lên các dầm, khi đó dầm sẽ chịu lực cục bộ

Vết nứt dầm dọc làm giảm khả năng phân phân bố nội lực trong các dầm dọc,dẫn đến dầm bị biến dạng không đều

2.1.2 Vỡ bêtông:

Khi bêtông bị vỡ làm giảm tiết diện cấu kiện, cốt thép bị lòi ra ngoài và dễ bịăn mòn Khi cốt thép bị gỉ gây sự trương nở thể tích dẫn đến khả năng dính bámgiữa bêtông và cốt thép ngày càng giảm đi Trường hợp cốt thép bị đứt, gãy sẽ gâybiến dạng, mất ổn định cấu kiện gây ảnh hưởng bất lợi đến khả năng khai thác củacông trình

2.1.3 Khuyết tật be à ma ë t:

Các khuyết tật bề mặt: rổ tổ ong, sự phân rã, vết nứt,…cũng thường xuất hiệntrong kết cấu BTCT do ảnh hưởng của môi trường làm giảm khả năng khai tháccủa công trình

2.2 Các nguyên nhân gây hư hỏng công trình:

Có nhiều nguyên nhân gây hư hỏng công trình, sau đây là một số nguyên nhânthường xảy ra:

2.2.1 Do thi công:

 Lớp bêtông bảo vệ cốt thép không đủ

 Bảo dưỡng bêtông không đảm bảo

 Sai sót trong quá trình căng cáp

 Sự cố khi tháo lắp coffa

 Bêtông không được đầm nén tốt khi thi công…

2.2.2 Do vật liệu:

Bêtông và cốt thép là những loại vật liệu rất nhạy cảm với các điều kiện môitrường Dưới tác động của môi trường (nhiệt độ, độ ẩm, hóa học…) bêtông và cốtthép sẽ bị suy thoái theo thời gian:

 Bêtông bị nứt, bong tróc do sự thay đổi nhiệt độ đột ngột của môi trường

 Bêtông bị thấm nước, dẫn đến sự xâm thực của nước, gây gỉ thép

 Bề mặt bêtông tiếp xúc trực tiếp với CO2 sẽ bị mất tính kiềm

 Cốt thép bị gỉ do tác động của môi trường trước khi đổ bêtông

 Bêtông không đủ cường đôï chịu nén khi căng cáp

 Bêtông bị ăn mòn dưới tác động môi trường

2.2.3 Do thiết kế:

Trong quá trình thiết kế chọn sai sơ đồ tính, áp dụng các nguyên lý tính toán,kiểm toán sai, dẫn đến kết quả cốt thép bố trí không đúng với sơ đồ làm việc thựccủa kết cấu.

2.2.4 Do khai thác, duy tu, bảo dưỡng:

Trong quá trình khai thác, do nhu cầu vận tải ngày càng lớn trong khi tuổi thọcủa công trình lại tăng, sẽ không đảm bảo khả năng chịu lực, nếu không có biệnpháp duy tu sữa chữa kịp thời sẽ dẫn đến công trình bị hư hỏng, phá hoại

Biện pháp này sẽ làm cho độ cứng của bản tăng lên, tạo sự phân bố áp lực đồngđều hơn Tuy nhiên nó cũng có những nhược điểm: tải trọng của hệ tăng lên dophần bản mặt cầu đúc thêm (lúc này cần phải kiểm tra lại khả năng chịu lực củacác kết cầu mố trụ)

3.2 Đúc thêm da à m ngang:

Với những cầu BTCT lắp ghép khẩu độ nhỏ, khi các cáp ngang căng sau củakết cấu nhịp bị đứt, hoặc chùng, liên kết ngang của kết cấu nhịp bị giảm yếu làm

xuất hiện những vết nứt dọc theo khe nối các dầm làm cho các dầm chủ làm việcđộc lập nhau Khi đó cần tăng cường độ cứng bằng cách tạo thêm các dầm ngangmới và bổ sung thêm các cáp DƯL tại các dầm ngang đầu nhịp.

Biện pháp này góp phần làm tăng độ cứng của hệ, tạo sự phân bố áp lực đồngđều hơn Tuy nhiên biện pháp này cũng làm tăng tải trọng công trình, ảnh hưởngđến sự làm việc của các kết cấu bên dưới

3.3 Dán bản thép ngoài tăng cường da à m chu û :

Hiện nay đã có nhiều công trình dùng phương pháp sữa chữa này: cầu Bà Rén(Quảng Nam), cầu Trần Thị Lý (Đà Nẵng), các cầu thuộc hệ thống đường sắt… Các dầm BTCT bị nứt, vỡ bêtông đều có thể áp dụng biện pháp này để sữachữa Phương pháp này là dùng các bản thép dày 6-10mm dán lên bề mặt đáy hoặcmặt bên của kết cấu nhịp có xuất hiện vết nứt, chất keo dán là keo epoxy

cường khả năng chịu moment uốn (dán trực tiếp bản thép dưới đáy dầm) và chịulực cắt của dầm (dán bao quanh đáy và sườn dầm)

D Ầ M NGANG TA ÊNG CƯƠ ØNG DA ÀM NG ANG ĐA ÀU NHỊ P

D Ầ M NGANG Đ ẦU NHỊP

BẢN THÉP DÁN BÊN SƯỜN

BẢN THÉP DÁN DƯỚI ĐÁY DẦM

Ưu điểm của phương pháp này là: công nghệ đơn giản, vật liệu có sẵn, khôngđòi hỏi thiết bị phức tạp, thi công nhanh, giá thành rẻ, trọng lượng kết cấu tăngthêm không đáng kể Tuy nhiên phương pháp nằy cũng có một số nhược điểm: giảipháp này phụ thuộc vào chất lượng của keo dán, bản thép thường có hiện tượngứng suất giảm dần, sau một thời gian bản thép sẽ bị bong bật ra khỏi bêtông.

3.4 Tạo DƯL ngoài theo phương ngang ca à u:

Đây là biện pháp được dùng khá phổ biến, hiện nay rất nhiều công trình đã sửdụng biện pháp này: cầu Sài Gòn, cầu Kinh (Thanh Đa)…

Cũng tương tự như biện pháp tăng cường thêm dầm ngang, nhưng ở đây để hạnchế tăng thêm tải trọng ta dùng DƯL ngoài cho việc tăng cường độ cứng của hệthay vì đúc thêm dầm ngang

Ưu điểm của biện pháp này là tĩnh tải tăng không đáng kể, tăng được tính liềnkhối của kết cấu nhịp và việc phân bố tải trọng cho các dầm chủ đồng đều hơn.Tuy nhiên biện pháp nay đòi hỏi thi công với độ chính xác cao

3.5 Tạo DƯL ngoài theo phương dọc ca à u:

Khi khả năng chịu moment của dầm chủ không đủ thì phương pháp tạo DƯLngòai theo phương dọc cầu là rất cần thiết Cốt thép DƯL đặt dọc dầm tạo momentngược chiều, chống lại moment do tải trọng gây ra Phương pháp này còn có tácdụng làm liên tục hóa các dầm giản đơn

Ưu điểm của phương pháp này làm gia tăng khả năng chịu tải của công trình, tảitrong không tăng đáng kể, hạn chế hiện tượng làm việc, biến dạng không đồng đềucủa dầm chủ.

Nhược điểm: phương pháp này đòi hỏi trong thi công cần trang bị máy mócchuyên dùng và thi công đòi hỏi độ chính xác cao

CHƯƠNG 4:

CÁC GIẢI PHÁP DÙNG DƯL NGOÀI ĐỂ SỬA CHỮA CẦU

Cáp DƯL ngoài truyền lực nén vào dầm thông qua các bộ phận kết cấu gắn vàodầm (nằm ngoài tiết diện chịu lực) được gọi là bộ phận neo cáp và bộ phận truyềnlực trung gian Các bộ phận neo cáp DƯL ngoài tuỳ theo cách cấu tạo mà có thểđược gọi là dầm neo, bản neo, vấu neo vv Với mỗi công trình, căn cứ theo đặcđiểm cấu tạo và hiện trạng của kết cấu hiện tại, theo yêu cầu kỹ thuật về sửa chữamà lựa chọn giải pháp cấu tạo và đặt bộ phận neo cáp DƯL ngoài cho phù hợp.Sau đây là một số các giải pháp về bộ phận neo cáp DƯL ngoài:

4.1 Bố trí theo phương ngang:

Giải pháp này được thực hiện bằng cách khoan lỗ qua các dầm chủ tại vị trídầm ngang và đặt các bó cáp DƯL ngoài theo phương ngang để tái tạo lại liên kếtngang cho hệ dầm Các ụ neo được liên kết với dầm ngang cũ thông qua các thanhbulông cường độ cao như hình vẽ:

DẦM NGANG

Ụ NEO CÁP DƯL NGOÀI

BULÔNG CƯỜNG ĐỘ CAO

DẦM CHỦ

4.2 Bố trí theo phương dọc:

Nơi đặt có thể là dầm ngang đầu dầm hoặc các dầm ngang trung gian cũng nhưbản ngăn, ở những bộ phận này cần khoan các lỗ cho cáp ngoài cùng ống dẫn củanó đi qua (hoặc có thể dùng ụ chuyển hướng)

 Neo đặt trực tiếp vào kết cấu chủ thể:

 Neo đặt vào các bộ phận kết cấu đặt bổ sung:

DẦM NGANG TRUNG GIAN

CẤU KIỆN BỔ SUNG

DẦM CHỦ

CÁP DƯL NGOÀI

DẦM NGANG ĐẦU NHỊP

DẦM NGANG TRUNG GIAN

Ụ CHUYỂN HƯỚNG

Với phương pháp này, các bộ phận kết cấu đặt bổ sung (dầm ngang chuyểnhướng cáp, dầm ngang neo…) cần phải tạo ứng lực ngang bổ sung để tăng độ cứngvà khả năng chịu lực của cấu kiện

Phương pháp này khi thi công cần hết sức lưu ý tránh ảnh hưởng đến cáp DƯLcủa dầm hiện hữu

4.3 Cấu tạo kết cấu bêtông dưl ngoài:

4.3.1 Cáp DƯL:

Hệ thống cáp DƯL ngoài bao gồm nhiều bó cáp, mỗi bó cáp gồm nhiều tao.Các tao này đặt trong bó cáp được bơm mỡ để chống gỉ, đồng thời tạo được sự linhđộng trong khi căng, giảm ma sát với thành ống Các bó cáp được đặt trong ốngnhựa bơm mỡ hoặc sáp (đối với DƯL ngoài)

BƠM MỠ ỐNG NHỰA (HDPE) BÓ CÁP

TAO THÉP

DƯL CẦU HIỆN HỮU

DẦM NGANG NEO DƯL DÍNH BÁM DƯL TĂNG CƯỜNG DỌC CẦU DƯL CẦU HIỆN HỮU

Đó là các thanh thép cường độ cao dùng cho việc liên kết các ụ neo vào kết cấukhi tạo DƯL ngoài Loại thép này là thép hợp kim (crôm, nikel, đồng…) và cácthành phần phi kim khác (cacbon, silic…), khi sử dụng các loại thép này cần lưu ý:

do không được bảo vệ nên tránh tiếp xúc với các chất dễ ăn mòn như muối, axit, …

4.3.3 Uï neo:

Để truyền lực DƯL vào kết cấu cần phải có những điểm neo cáp, đó là ụ neo

Uï neo được cấu tạo bằng thép hoặc bêtông Khi bố trí các ụ neo nên tránh những vịtrí có vết nứt và nên bố trí đối xứng để hạn chế tối đa hiện tượng lệch tâm, bêtông

ụ neo nên chọn sao cho tương xứng với bêtông thành dầm Bề mặt ụ neo nên đượclắp hộp bảo vệ để chống các tác nhân ăn mòn

4.3.4 Uï chuyển hướng:

Để phát huy hết khả năng truyền lực vào kết cấu, cáp DƯL thường được bố trí

đi sát biểu đồ moment uốn của cấu kiện, khi đó cần bố trí các bộ phận chuyểnhướng cáp, đó là ụ chuyển hướng Các ụ chuyển hướng được đặt tại vị trí như đáydầm ngang, hình dạng của các ụ neo phải phù hợp với dạng đường trục của cápDƯL

4.3.5 Oáng dẫn và phụ kiện:

Do không nằm trong kết cấu bêtông nên cáp DƯL ngoài cần phải được bảo vệđể chống gỉ, được bao bọc bên ngoài bởi các ống thép hoặc nhựa: ống thép là cácloại ống cứng, tráng kẽm 2 mặt, bề dày tối thiểu 2mm, ống nhựa là loại ống HDPE,chiều dày của ống được chọn tùy thuộc vào từng loại thép DƯL

Trường hợp đặt cáp dọc theo dầm chủ:

 Tăng khả năng chịu moment uốn khi có tải trọng tác dụng

 Liên tục hóa các dầm giản đơn thành dầm liên tục, phân bố lại nội lực

 Làm hạn chế sự phát triển vết nứt trong hệ dầm

5.2 Tính mất ổn định hình dạng trong kết cấu DƯL ngoài:

Đối với DƯL ngoài, hiện tượng lệch tâm thường xuyên xảy ra làm cho kết cấu

bị biến dạng về mặt hình dạng, do đó cần tính toán chặc chẽ và co cấu tạo hợp lýđể tránh hiện tượng bị biến dạng hình dạng, sau đây là cách hạn chế hiện tượngtrên:

• Khi chiều dài cáp quá lớn cần bố trí các điểm liên kết cáp DƯL vàokết cấu

• Bố trí cáp DƯL đối xứng hai bên kết cấu, các ụ neo, ụ chuyểnhướng cũng cần đặt đối xứng để hạn chế hiện tượng bị nén lệchtâm

5.3 Tính toán dao động cho cáp:

Do cáp DƯL chỉ liên kết vào kết cấu cũ thông qua các ụ neo hai đầu và các ụchuyển hướng, do đó trong khoảng giữa cáp và bêtông sẽ không cùng giao động, sẽdẫn đến xảy ra tình trạng cộng hưởng đứt cáp Do đó khi tính toán cần kiểm tra chukỳ dao động, xem xét đến khả năng bị đứt cáp

Chu kỳ dao động của cáp DƯL ngoài: T c =2l c ρσ

Chu ký dao động của dầm:

Với: lc : chiều dài cáp giữa 2 điểm cố định (m)

g : gia tốc trọng trường (m/s2)

ρ : trọng lượng riêng của cáp (kg/m3)

σ : ứng suất kéo trong cáp (kg/m2)

ld : chiều dài dầm (m)

P : trọng lượng 1m dài dầm (kg)

EJ : độ cứng chống uốn của dầm (kgm2)Trong tính toán ta chọn sao cho chiều dài cáp giữa 2 điểm cố định phù hợp đểkhông xảy ra hiện tượng cộng hưởng (Tc≠ Td)

5.4 Tính các mất mát ứng suất:

Trong quá trình thi công và khai thác, cần quan tâm tính toán các dạng mất mátứng suất trong cáp DƯL ngoài:

5.4.1 Mất mát ứng suất do co ngót σ1 và từ biến bêtông σ2 :

φϕσε

=+

b

d b d c

E

E E

2 1

Trong đó:

εc và ϕτ : các giá trị cuối cùng của biến dạng tương đối do co ngót và của

đặc trưng từ biến, chọn tùy theo tuổi bêtông ở thời điểm nénbêtông, mác bêtông, điều kiện cứng bêtông, thông thường: ϕτ =1.5 – 3.0; εc = 0.00005 – 0.00015

σb : ứng suất trong bêtông ở thớ qua trọng tâm cốt thép đang xét do

DƯL có kể đến mất mát ứng suất gây ra (với kéo sau, xét đến0.5σ3, σ4, và σ5)

φ : hàm số xét tới ảnh hưởng kéo dài theo thời gian của hiện tượng

co ngót và từ biến bêtông đến trị số các mất mát DƯL