Một trong những vấn đề thường gặp của cầu bê tông cốt thép dự ứng lực căng ngoài là hư hỏng cáp dự ứng lực căng ngoài do các tác động va chạm của xe cộ, tàu thuyền hay do môi trường ăn mòn. Các hư hỏng xảy ra ở cáp dự ứng lực sẽ làm giảm hiệu ứng lực dự ứng lực, làm cho bê tông chịu tải nhiều hơn, giảm khả năng chịu tải của cầu và có thể dẫn đến sự sụp đổ của công trình. Bài báo này đi sâu vào việc phân tích ảnh hưởng của hư hỏng cáp dự ứng lực căng ngoài đến khả năng chịu tải của cầu dầm hộp bê tông cốt thép đúc hẫng cân bằng.
ẢNH HƯỞNG CỦA MẤT MÁT ỨNG SUẤT CÁP DỰ ỨNG LỰC NGOÀI ĐẾN KHẢ NĂNG CHỊU TẢI CỦA CẦU DẦM HỘP BÊ TÔNG CỐT THÉP ĐÚC HẪNG EFFECT OF PRESTRESS LOSS IN THE EXTERNAL TENDONS ON LOADING CAPACITY OF CANTILEVER REINFORCED CONCRETE BOX GIRDER BRIDGE KS Phạm Ngọc Hưng, TS Nguyễn Danh Thắng, TS Hồ Thu Hiền TÓM TẮT Một vấn đề thường gặp cầu bê tông cốt thép dự ứng lực căng hư hỏng cáp dự ứng lực căng tác động va chạm xe cộ, tàu thuyền hay môi trường ăn mòn Các hư hỏng xảy cáp dự ứng lực làm giảm hiệu ứng lực dự ứng lực, làm cho bê tông chịu tải nhiều hơn, giảm khả chịu tải cầu dẫn đến sụp đổ công trình Bài báo sâu vào việc phân tích ảnh hưởng hư hỏng cáp dự ứng lực căng đến khả chịu tải cầu dầm hộp bê tông cốt thép đúc hẫng cân ABSTRACT One of the common problems of external tendon reinforced concrete bridge is damaged by vehicle collision or corrosion The damage occurred in the tensioning cable will reduce the effects of post-tensioning force, making concrete overload and could lead to the collapse of bridge This paper concentrates to analyze the influence of loss of stress in the external tendons on loading capacity of cantilever reinforced concrete box girder bridge KS Phạm Ngọc Hưng Học viên Cao học, Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng, Trường Đại Học Bách Khoa – Đại Học Quốc Gia Tp.HCM Email: hungphamngoc7189@gmail.com Điện thoại: 08.3849 3594 tục - số cầu sử dụng cáp dự ứng lực căng ngoài, thi công theo phương pháp đúc hẫng cân [1] Do chi phí xây dựng lớn tầm quan trọng tuyến metro hệ thống hạ tầng giao thông thành phố nên vấn đề quản lý khai thác cần phải quan tâm từ giai đoạn ban đầu trình xây dựng Trước đây, có số nghiên cứu mát ứng suất cáp dự ứng lực cầu đúc hẫng từ biến, co ngót, hay ảnh hưởng nhiệt độ Nhưng trình khai thác, tồn số nguyên nhân (đã kể trên) gây mát ứng suất cáp, ảnh hưởng đến hiệu ứng lực dự ứng lực cáp tác dụng vào bê tông [2] Từ lý trên, nghiên cứu tiến hành để đánh giá ảnh hưởng hư hỏng cáp dự ứng lực căng đến ứng suất bê tông, chuyển vị cầu tác dụng hoạt tải đoàn tàu Một số hư hỏng thường gặp cáp dự ứng lực căng Theo thời gian sử dụng, cầu bê tông dự ứng lực bị hư hỏng, xuống cấp tác động va chạm từ phương tiện vận tải xe cộ, tàu thuyền gây đứt cáp dự ứng lực hay tác nhân ăn mòn từ môi trường gây rỉ sét cốt thép,… Trong rỉ cốt thép dự ứng lực cần ý theo dõi chúng thường xuất môi trường có tính ăn mòn cao (Hình Hình 2) TS Nguyễn Danh Thắng Giảng viên, Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng, Trường Đại Học Bách Khoa – Đại Học Quốc Gia Tp.HCM Email: ndthang@hcmut.edu.vn Điện thoại: 08.3864 3955 TS Hồ Thu Hiền Giảng viên, Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng, Trường Đại Học Bách Khoa – Đại Học Quốc Gia Tp.HCM Email: hothuhien@hcmut.edu.vn Điện thoại: 08.3864 5856 Giới thiệu Những năm gần đây, Việt Nam, việc sử dụng cáp dự ứng lực căng kết hợp với cáp căng cho cầu bê tông cốt thép hướng phát triển kỹ thuật xây dựng cầu Điều minh chứng công trình xây dựng cầu Sông Gianh, cầu Yên Lệnh… Dự ứng lực phương pháp dự ứng lực căng sau với bó cáp đặt tiết diện phần tử kết cấu Trước đây, cáp dự ứng lực căng sử dụng để tăng cường khả kháng uốn cho cầu hay công trình bị hư hỏng, xuống cấp So với cáp căng trong, việc sử dụng cáp dự ứng lực căng thiết kế ngày áp dụng rộng rãi nhờ vào số ưu điểm giảm tổn thất ứng suất ma sát, giảm tiết diện giảm yếu, tu bảo dưỡng đơn giản… Tuy nhiên, nằm tiết diện, không lớp bê tông dầm bảo vệ cáp căng nên cáp dự ứng lực căng dễ bị hư hỏng ảnh hưởng đến làm việc cáp ăn mòn môi trường, va chạm xe cộ, tàu thuyền… Hiện nay, thành phố Hồ Chí Minh tập trung xây dựng tuyến metro số để giải nhu cầu giao thông công cộng người dân Với 17 km tuyến metro cao, hàng loạt cầu bê tông dự ứng lực, có đến cầu nhịp liên Hình Hư hỏng cáp dự ứng lực căng ăn mòn [3] Hình Đứt cáp dự ứng lực đầu neo Cầu Niles Channel (6/1999) [4] Hư hỏng cáp dự ứng lực ăn mòn xảy cáp căng hay cáp căng Do diện tích tiếp xúc với môi trường nhiều cáp dự ứng lực căng trong, nên cáp căng dễ bị ăn mòn tác động môi trường Theo [5] [6], mát tiết diện cáp dự ứng lực ăn mòn thường xảy hai lí sau: + Cáp dự ứng lực chịu ứng suất kéo khoảng 55 đến 65% giới hạn kéo đứt, ứng suất kéo đạt giá trị cao chịu tải trọng thời (hoạt tải) Do đó, cáp bị ăn mòn, ứng suất kéo cáp tăng lên đến giới hạn chảy dẫn đến đứt cáp + Cường độ chịu kéo thép dự ứng lực cao đến lần so với thép thường, mức độ nguy hiểm ăn mòn thép dự ứng lực cao tương ứng Bên cạnh đó, thép dự ứng lực thường sản xuất thành tao cáp có đường kính nhỏ, nên diện tích tiếp xúc với môi trường lớn hơn, dẫn đến việc cốt thép bị ăn mòn nhanh so với cốt thép thường có đường kính Hình Các nguyên nhân hư hỏng dẫn đến mát ứng suất kết cấu bê tông dự ứng lực hậu [2] Ảnh hưởng mát ứng suất đến khả chịu tải cầu cáp dự ứng lực bị hư hỏng 3.1 Mô hình phần tử hữu hạn (FEM) cầu đúc hẫng cân Hình Ăn mòn 25% tiết diện cáp dự ứng lực [7] Trong nghiên cứu này, cầu đúc hẫng với nhịp dài 102.50 m nhịp biên dài 82.50m nhịp lựa chọn để xây dựng mô hình phân tích dựa vào phần MIDAS/Civil Trong đó, cáp căng sử dụng loại cáp T15, 31 tao/bó, diện tích chiếm 27.68% tổng diện tích cáp dự ứng lực (Hình 6, Hình 7, Hình 8) Bên cạnh đó, mô hình hoạt tải sử dụng hoạt tải đoàn tàu (Hình 9) Chuyển vị lớn cầu hoạt tải gây 31.41mm (Hình 10) Khi có nhiều tao cáp bị ăn mòn dẫn đến đứt số tao cáp, ứng suất tao cáp lại tăng làm giảm hiệu ứng dự ứng lực cáp bê tông, dẫn đến ứng suất nén bê tông giảm Hình Đứt số tao cáp dự ứng lực căng [8] Như vậy, trình quản lý khai thác cầu bê tông cốt thép dự ứng lực, để theo dõi, phát hư hỏng bê tông cáp dự ứng lực, cần phải có phương pháp thiết bị phù hợp với loại hư hỏng khác Các số liệu đo biến dạng, chuyển vị, dao động hay ứng suất cáp dự ứng lực, ứng suất bê tông,… xác định hư hỏng cầu ảnh hưởng hư hỏng đến làm việc cầu bê tông dự ứng lực Tóm lại, có nhiều nguyên nhân gây mát ứng suất cáp dự ứng lực theo thời gian sử dụng ảnh hưởng đến khả chịu tải cầu bê tông như: tăng độ võng, xuất vết nứt bê tông… (Hình 5) Hình Mô hình 3D cầu đúc hẫng Hình Mặt cắt ngang đại diện vị trí nhịp Hình Mặt cắt ngang đại diện vị trí đỉnh trụ Hình Mô hình hoạt tải đoàn tàu 31.41mm 17.23mm 31.41mm Hình 10 Chuyển vị lớn cầu tác dụng hoạt tải 3.2 Ảnh hưởng mát ứng suất cáp dự ứng lực căng đến cầu đúc hẫng Trong nghiên cứu này, dựa vào hư hỏng, xuống cấp cáp dự ứng lực căng ngoài, cáp dự ứng lực E1, E2 E3 chia làm nhiều trường hợp (N=1 đến N=6 bó cáp) giả thiết giảm 5%, 10%, 15%, 20%, 40%, 80% 100% ứng suất cáp để phân tích ảnh hưởng mát đến ứng suất bê tông, chuyển vị dầm gia tăng ứng suất trình khai thác tác dụng hoạt tải đoàn tàu Hình 12 Quan hệ ứng suất pháp lớn bê tông tỷ lệ mát ứng suất cáp dự ứng lực căng Hình 13 Quan hệ chuyển vị lớn dầm vị trí nhịp biên tỷ lệ mát ứng suất cáp dự ứng lực căng Hình 11 Quan hệ ứng suất tiếp lớn bê tông tỷ lệ mát ứng suất cáp dự ứng lực căng Hình 14 So sánh gia tăng ứng suất cáp dự ứng lực căng cáp dự ứng lực căng theo tỷ lệ mát ứng suất cáp dự ứng lực căng Trong trường hợp phân tích mát ứng suất cáp dự ứng lực căng ngoài, kết tính toán cho thấy: + Ứng suất tiếp tăng không đáng kể (Hình 11) Với cấu tạo cốt thép đai, dầm đảm bảo khả chịu cắt + Ứng suất bê tông vượt qua giới hạn chịu kéo (1.85MPa) 72% ứng suất toàn bó cáp (Hình 12) + Chuyển vị dầm tăng tuyến tính theo tỷ lệ mát ứng suất cáp dự ứng lực căng giá trị lớn vị trí nhịp biên 73.15mm nhỏ trị số cho phép L/1000=82500/1000=82.5mm (Hình 13) + Khi tỷ lệ mát ứng suất cáp dự ứng lực căng khoảng 0-20%, gia tăng ứng suất cáp căng căng có chênh lệch không đáng kể (1.02MPa) Khi tỷ lệ mát ứng suất tăng lên 100% chênh lệch tăng 6.15 Mpa (Hình 14) Mặc dù ứng suất cáp căng cáp căng tăng, ứng suất kéo cuối cáp nhỏ giá trị cho phép (0.80f py =1336 MPa) + Mất mát 63% ứng suất bó cáp (N=3), tương đương mát 31.50% ứng suất bó cáp dự ứng lực căng ngoài; trường hợp bê tông chuyển sang trạng thái chịu kéo nhanh (Bảng 1) Bảng Sự tương quan mát ứng suất N bó cáp với mát ứng suất tổng số bó cáp dự ứng lực căng thời điểm bê tông chuyển sang trạng thái chịu kéo (ứng suất nén bê tông MPa) (1) % mát ứng suất N bó cáp dự ứng lực căng (2) % mát ứng suất toàn bó cáp dự ứng lực căng (3)=(2)*(1)/6 N=2 95% 31.67% N=3 63% 31.50% N=4 48% 32.00% N=5 40% 33.33% N=6 33% 33.00% N Kết luận kiến nghị Bài báo tập trung vào việc phân tích ảnh hưởng việc mát ứng suất cáp dự ứng lực căng đến khả chịu tải cầu dầm hộp dựa vào việc phân tích mô hình phần tử hữu hạn cầu Thông qua kết phân tích, ta rút kết luận sau: + Trong trường hợp cáp dự ứng lực căng bị mát ứng suất, vị trí nguy hiểm cầu đỉnh trụ Khi tỷ lệ mát ứng suất cáp dự ứng lực căng 31.50%, bê tông chuyển sang trạng thái chịu kéo vượt qua giới hạn chịu kéo tỷ lệ mát ứng suất lên đến 72% Trong đó, bê tông vị trí khác chịu nén + Ứng suất tiếp bê tông tăng không đáng kể mát ứng suất cáp dự ứng lực tăng Với cấu tạo cốt thép đai, dầm đủ khả chịu cắt + Khi xảy mát ứng suất cáp dự ứng lực căng ngoài, cáp dự ứng lực căng chịu tải nhiều cáp dự ứng lực căng Nhưng ứng suất kéo cáp dự ứng lực căng nhỏ giá trị cho phép + Mặc dù độ võng lớn dầm hoạt tải đoàn tàu tăng lên đáng kể (hơn lần) nằm độ võng cho phép Ngoài ra, để kết mang tính tổng quát hơn, ta cần tiến hành nghiên cứu thêm nhiều trường hợp mát ứng suất, tập trung phân tích trường hợp mát ứng suất cáp dự ứng lực căng hay tổ hợp cáp căng căng TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Hồ sơ Báo cáo thẩm định thiết kế kỹ thuật thức cầu Sài Gòn tuyến metro số 1, tháng năm 2013 [2] S Sumitro, K Hida, T Le Diouron, Structural health monitoring paradigm for concrete structures, 28th Conference on Our World In Concrete & Structures, vol Conference Documentation Volume XXII, pp 525-532, 27-29 August 2003 [3] Nguyen Danh Thang, Hitoshi Yamada, Hiroshi Katsuchi and Eiichi Sasaki, Damage detection of a long-span bridge by wind-induced response, IABSE-IASS Symposium London 2011, London - United Kingdom, 2011 [4] Rodney G.Powers, Alberto A.Sagues and Yash Paul Virmani, Corrosion of post-tensioned tendons in Florida bridge, Research Report No FL/DOT/SMO/04-475 [5] ACI 222.2R-01, Corrosion of Prestressing Steels, American Concrete Institute, 2001 [6] ACI 423.4R-98, Corrosion and Repair of Unbonded Single Strand, American Concrete Institute, 1998 [7] Keith Kesner and Randall W.Poston, Evaluation of Corrosion Damage in Unbonded Post-Tensioned Concrete Structures: Misunderstandings and Moving Forward, Whitlock Dalrymple Poston & Associates, Inc, Consulting Engineer [8] Jeff Pouliotte, PT Grouting and Corrosion Issues in Florida, FDOT State Structures Maintenance Engineer , State of Florida [9] Nguyen Danh Thang, Fundamental Study On Structural Damage Detection Vibration Response Of Long Span Suspension Bridge, Dr.Eng Thesis, Yokohama National University, Japan, 2010 [10] G.T.Webb; P.J.Vardanega,Ph.D.,M.ASCE; P.R.A.Fidler; and C.R Middleton, PhD., C.Eng, Analysis of Structural Health Monitoring Data from Hammersith Flyover, Journal of Bridge Engineering, ASCE, vol 19, no 6, 28 February 2014