Trong quá trình khai thác, vấn đề thường gặp của cầu bê tông cốt thép dự ứng lực sử dụng cáp căng ngoài là ăn mòn cáp do tác động từ môi trường. Sự ăn mòn xảy ra ở cáp dự ứng lực căng ngoài sẽ dẫn đến đứt một vài tao cáp hay cả bó cáp, dẫn đến việc giảm hiệu ứng lực dự ứng lực, 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 mất mát tiết diện cáp dự ứng lực căng ngoài đến khả năng chịu tải của cầu dầm hộp bê tông cốt thép
ẢNH HƯỞNG CỦA MẤT MÁT TIẾT DIỆN CÁP DỰ ỨNG LỰC CĂNG NGOÀI TRONG GIAI ĐOẠN KHAI THÁC ĐẾN KHẢ NĂNG CHỊU TẢI CỦA CẦU DẦM HỘP BÊ TÔNG CỐT THÉP EFFECT OF LOSS OF CROSS-SECTIONAL AREA OF EXTERNALLY PRESTRESSED TENDONS ON LOADING CAPACITY OF REINFORCED CONCRETE BOX GIRDER BRIDGE IN SERVICE STAGE ThS Phạm Ngọc Hưng, TS Nguyễn Danh Thắng, TS Hồ Thu Hiền TÓM TẮT Trong trình khai thác, vấn đề thường gặp cầu bê tông cốt thép dự ứng lực sử dụng cáp căng ăn mòn cáp tác động từ môi trường Sự ăn mòn xảy cáp dự ứng lực căng dẫn đến đứt vài tao cáp hay bó cáp, dẫn đến việc giảm hiệu ứng lực dự ứng lực, giảm khả chịu tải cầu dẫn đến sụp đổ công trình Bài báo sâu vào việc phân tích ảnh hưởng mát tiết diện cáp dự ứng lực căng đến khả chịu tải cầu dầm hộp bê tông cốt thép Từ khóa: cầu dầm hộp bê tông cốt thép dự ứng lực, cáp dự ứng lực căng ngoài, mát tiết diện cáp ABSTRACT In the service stage, the most common problem of external tendon reinforced concrete bridge is that they are corroded by environmental effects The corrosion of externally prestressed tendons causes the breaking of some strands or a whole tendon; thus, the effects of post-tensioning force and the load capacity of the bridge is reduced, which leads to the collapse of the whole structure This paper was carried out to the influence of the loss in cross-sectional area of external tendons on loading capacity of reinforced concrete box girder bridge Key words: prestressed box beam bridge, external post-tensioning, loss in cross-sectional area of tendons ThS Phạm Ngọc Hưng Công ty Cổ phần Tư vấn đầu tư xây dựng GTVT Email:hungphamngoc7189@gmail.com Điện thoại: 08.3849 3594 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 căng dễ bị hư hỏng ảnh hưởng đến làm việc cáp Theo quy hoạch tổng thể phát triển giao thông đô thị thành phố Hồ Chí Minh, nhiều dự án đường sắt đô thị (metro) đầu tư xây dựng, điển hình tuyến Metro số tập trung xây dựng để giải phần nhu cầu giao thông công cộng người dân Tuyến Metro số 1, với 17 km cao, sử dụng cầu bê tông dự ứng lực, có số cầu sử dụng cáp dự ứng lực căng ngoài, thi công theo phương pháp đúc hẫng cân [1] Do tuyến Metro số công trình quan trọng 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… thiết kế ảnh hưởng mát ứng suất cáp dự ứng lực căng đến khả chịu tải cầu dầm hộp bê tông cốt thép [2] Trong trình khai thác, hư hỏng cáp làm giảm hiệu ứng lực dự ứng lực cáp tác dụng vào bê tông [3] Từ lý trên, nghiên cứu tiến hành để đánh giá ảnh hưởng mát tiết diện cáp dự ứng lực căng đến khả chịu tải cầu dầm hộp bêtông cốt thép Một số hư hỏng thường gặp cáp dự ứng lực căng Trong trình thi công lớp vữa bảo vệ cáp căng ngoài, tồn số nguyên nhân làm cho lớp bảo vệ không phủ hết toàn cáp Từ tạo điều kiện cho môi trường xâm thực, gây ăn mòn dẫn đến đứt cáp Đặc biệt, cáp căng thường bị gỉ sử dụng môi trường có tính ăn mòn cao (Hình Hình 2) 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 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 thường sử dụng để tăng cường khả kháng uốn cho cầu hay công trình bị hư hỏng, xuống cấp 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 (Quảng Bình), cầu Yên Lệnh (Hưng Yên), cầu Thị Nại (Bình Định)… So với cáp căng trong, việc sử dụng cáp dự ứng lực căng 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… Mặc dù bảo vệ vữa cường độ cao, nằm tiết diện, không lớp bê tông dầm bảo vệ cáp căng nên cáp dự ứng lực Hình Hư hỏng cáp dự ứng lực căng ăn mòn [4] Hình Đứt bó cáp dự ứng lực căng [4] Theo [5] [6], mát tiết diện cáp dự ứng lực ăn mòn vấn đề nghiêm trọng hai lí sau: + Trong trình sử dụng, thân cáp dự ứng lực tồn ứng suất kéo khoảng từ 55 đến 65% giới hạn kéo đứt Do đó, cáp bị ăn mòn, ứng suất kéo cáp tăng lên đến giới hạn chảy cáp không làm việc thiết kế ban đầu + 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 tiết diện : Khoảng cách từ trục trung hòa tiết diện đến thớ bê tông xét Trong nghiên cứu này, điều kiện đặt ứng suất cáp dự ứng lực nhỏ giới hạn chảy cáp (f py = 1670 MPa), nghĩa xét cáp dự ứng lực căng làm việc giai đoạn đàn hồi thiết kế ban đầu Theo tiêu chuẩn thiết kế TCN 272-05, thép tự chùng thấp, ứng suất kéo cáp trạng thái giới hạn sử dụng không vượt 0.8f py Nếu thiết kế tối ưu ứng suất kéo ban đầu cáp lấy giá trị 0.8f py , độ dự trữ lại cáp 20% f py Bên cạnh đó, theo dẫn kỹ thuật thiết kế cầu bêtông Nhật [9] có đề cập giá trị ứng suất kéo cáp trạng thái giới hạn sử dụng 0.75f py , độ dự trữ lại cáp 25% f py Do đó, nghiên cứu này, tác giả xem xét giá trị mát tiết diện lớn cáp dự ứng lực căng 25% yt 3.2 Mô hình phần tử hữu hạn (FEM) cầu đúc hẫng cân Hình Ăn mòn 25% tiết diện cáp dự ứng lực [7] Mặc dù mát tiết diện ăn mòn cáp dự ứng lực gây gia tăng ứng suất cáp hiệu ứng dự ứng lực cáp bê tông lại giảm đi, dẫn đến ứng suất nén bê tông giảm theo Mô hình sử dụng nghiên cứu dựa hồ sơ thiết kế kỹ thuật cầu Sài Gòn [10]; cầu đúc hẫng với nhịp dài 102.50 m nhịp biên dài 82.50m nhịp; phân tích dựa vào phần mềm MIDAS/Civil Trong đó, cáp căng sử dụng loại cáp T15, 31 tao/bó, diện tích chiếm từ 24.60% đến 27.68% (kể cáp dự phòng) tổng diện tích cáp dự ứng lực mặt cắt ngang vị trí đỉnh trụ (Hình 5, Hình 6, Hình 7) Bên cạnh đó, mô hình hoạt tải sử dụng hoạt tải đoàn tàu (Hình 8) Chuyển vị lớn cầu hoạt tải gây 31.41mm (Hình 10) Hình Ăn mòn gây đứt cáp đầu neo Cầu Niles Channel (6/1999) [8] Tóm lại, cáp dự ứng lực căng cần tu, bảo dưỡng thường xuyên, đảm bảo cáp không bị tác động môi trường Ngoài ra, cần sử dụng thiết bị để quan trắc, đo đạc số liệu biến dạng, chuyển vị, dao động hay ứng suất cáp dự ứng lực để xác định tình trạng làm việc cầu chẩn đoán nguyên nhân có gây hư hỏng cáp căng Hình Mô hình 3D cầu Sài Gòn Ảnh hưởng mát tiết diện cáp dự ứng lực đến khả chịu tải cầu trình khai thác 3.1 Cơ sở lý thuyết Do tác động từ môi trường cáp dự ứng lực căng có khả bị ăn mòn dẫn đến đứt cáp Khi tiết diện cáp căng ban đầu (A ps ) giảm lượng ΔA ps , với lực căng cáp ban đầu (F ) không đổi, ứng suất cáp tăng lên Δσ ps , đồng thời ứng suất nén bê tông ban đầu (σ c1 ) mát lượng Δσ c tương ứng với giảm tiết diện ΔA ps Như vậy, gia tăng ứng suất cáp căng xác định theo công thức sau: ∆𝐴𝐴𝑝𝑝𝑝𝑝 𝐹𝐹1 𝐹𝐹1 − = 𝐹𝐹1 ∆𝜎𝜎𝑝𝑝𝑝𝑝 = 𝐴𝐴𝑝𝑝𝑝𝑝 − ∆𝐴𝐴𝑝𝑝𝑝𝑝 𝐴𝐴𝑝𝑝𝑝𝑝 𝐴𝐴𝑝𝑝𝑝𝑝 − ∆𝐴𝐴𝑝𝑝𝑝𝑝 Ứng suất nén bê tông sau có mát tiết diện cáp xác định sau: ∆𝜎𝜎𝑝𝑝𝑝𝑝 ∆𝐴𝐴𝑝𝑝𝑝𝑝 ∆𝜎𝜎𝑝𝑝𝑝𝑝 ∆𝐴𝐴𝑝𝑝𝑝𝑝 𝑒𝑒𝑝𝑝𝑝𝑝 + 𝑦𝑦𝑡𝑡 ) 𝜎𝜎𝑐𝑐2 = −𝜎𝜎𝑐𝑐1 + ∆𝜎𝜎𝑐𝑐 = −𝜎𝜎𝑐𝑐1 + ( 𝐴𝐴𝑐𝑐 𝐼𝐼𝑐𝑐 Trong đó: A c , I c : Moment quán tính tiết diện xét : Độ lệch tâm bó cáp so với trục trung hòa e ps Hình Mặt cắt ngang đại diện vị trí nhịp lý hiệu bó cáp dự ứng lực Tỷ lệ mát ứng suất cáp dự ứng lực Giới hạn chảy thép fpy 1657 30% 1607 25% 1557 20% 1507 1457 15% 1407 10% 1357 5% Hình Mặt cắt ngang đại diện vị trí đỉnh trụ ký hiệu bó cáp dự ứng lực 1307 0% Ứng suất cáp dự ứng lực căng (MPa) 35% 1257 0% 5% 10% 15% 20% 25% Tỷ lệ mát tiết diện cáp dự ứng lực Hình Mô hình hoạt tải đoàn tàu 31.41mm 17.23mm 31.41mm Hình Chuyển vị đứng lớn cầu tác dụng hoạt tải 3.3 Ảnh hưởng mát tiết diện cáp dự ứng lực căng Ứng suất tiếp lớn bê tông (MPa) Hình 10 Quan hệ ứng suất tỷ lệ mát tiết diện cáp dự ứng lực căng 2,1 Ứng suất cho phép 2,0 1,9 1,8 1,7 1,6 1,5 1,4 0% 5% 10% 15% 20% Tỷ lệ mát tiết diện Ứng suất cho phép N=1 N=2 N=3 N=4 N=5 đến cầu đúc hẫng 25% N=6 Hình 11 Quan hệ ứng suất tiếp lớn bê tông tỷ lệ mát tiết diện cáp dự ứng lực căng 2,0 Ứng suất pháp bê tông (MPa) Trong nghiên cứu này, dựa hư hỏng thường xảy với cáp dự ứng lực căng ngoài, mát tiết diện cáp dự ứng lực E1, E2 E3 xem xét nhiều trường hợp (N=1 đến N=6 bó cáp), giả thiết giảm 5%, 10%, 15%, 20%, 25% tiết diện cáp Sau phân tích số trường hợp mát tiết diện cáp dự ứng lực căng ngoài, kết cho thấy: + Ứng suất cáp căng đạt giới hạn chảy mát ~24.6% tiết diện (Hình 10) + Mặc dù ứng suất tiếp tăng không đáng kể (Hình 11) Với cấu tạo cốt thép đai, dầm đảm bảo khả chịu cắt + Khi mát khoảng 25% tiết diện, bê tông chuyển từ trạng thái chịu nén sang trạng thái chịu kéo (Hình 12) + Chuyển vị dầm đạt giá trị lớn vị trí nhịp biên 45.41 mm nhỏ giá trị cho phép L/1000=82500/1000=82.5mm (Hình 13) Trong đó, chuyển vị dầm nhịp tăng ít, khoảng 5mm (Hình 14) 2,2 Ứng suất cho phép 1,5 1,0 0,5 0,0 -0,5 -1,0 -1,5 -2,0 0% 5%Tỷ lệ 10% mát tiết 15% diện N=1 N=2 N=3 N=4 20% 25% N=5 N=6 Hình 12 Quan hệ ứng suất pháp lớn bê tông tỷ lệ mát tiết diện cáp dự ứng lực căng Tỷ lệ mát tiết diện cáp dự ứng lực căng 0% 5% 10% 15% 20% 25% Chuyển vị nhịp biên (mm) -25 -35 -45 -55 -65 -75 Lnhịp/1000=82.5mm -85 N=1 N=2 N=3 N=4 N=5 N=6 Hình 13 Quan hệ chuyển vị lớn dầm vị trí nhịp biên tỷ lệ mát tiết diện cáp dự ứng lực căng Tỷ lệ mát tiết diện cáp dự ứng lực căng 0% 5% 10% 15% 20% 25% N=5 N=6 -15 Chuyển vị nhịp (mm) -25 -35 -45 -55 -65 -75 -85 -95 Lnhịp/1000=102.5mm -105 N=1 N=2 N=3 N=4 Hình 14 Quan hệ chuyển vị lớn dầm vị trí nhịp tỷ lệ mát tiết diện cáp dự ứng lực căng Kết luận Sau phân tích ảnh hưởng việc mát tiết diện cáp dự ứng lực căng đến khả chịu tải cầu dầm hộp dựa vào việc phân tích mô hình phần tử hữu hạn cầu Dựa vào kết nghiên cứu này, ta rút kết luận sau: + Trong trường hợp cáp dự ứng lực căng bị mát tiết diện, vị trí chuyển sang trạng thái chịu kéo sớm cầu đỉnh trụ Tại vị trí này, mát ~25% tiết diện cáp dự ứng lực căng ngoài, bê tông bắt đầu chuyển từ trạng thái chịu nén sang trạng thái chịu kéo Trong đó, bê tông vị trí khác chịu nén + Ứng suất tiếp bê tông tăng không đáng kể có mát tiết diện cáp dự ứng lực + Mặc dù độ võng lớn dầm hoạt tải tăng lên đáng kể (khoảng 1.5 lần) nằm độ võng cho phép (L/1000) Tuy nhiên, kết nghiên cứu báo giới hạn phạm vi cáp căng Để kết mang tính tổng quát hơn, ta cần tiến hành nghiên cứu mát tiết diện cáp dự ứng lực căng nghiên cứu nhiều công trìn cầu cụ thể 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] KS Phạm Ngọc Hưng, TS Nguyễn Danh Thắng, TS Hồ Thu Hiền, "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," Tạp chí xây dựng - Bộ Xây Dựng, pp 32-35, 2015 [3] 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 [4] Randall Poston, Michael Ahern, Keith Kesner, Sharon Wood and Jinying Zhu, "Current Practice of Assessing Strength and Durability of Grouted Tendons and Cable Stays," in PTI Convention, Nashville TN, 2012 [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] 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 [9] "Specifications for Highway Bridge," Japan Road Association, 2002, p 26 [10] "Hồ sơ thiết kế kỹ thuật thức cầu Sài Gòn," 2013 [11] N D Thang, "Fundamental Study On Structural Damage Detection Vibration Response Of Long Span Suspension Bridge", Dr.E.Thesis, vol 2.2 Damage detection for long span bridge, Yokohama: Yokohama National University, 2010, pp 21-25 [12] 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 [13] Jeff Pouliotte, "PT Grouting and Corrosion Issues in Florida," FDOT State Structures Maintenance Engineer , State of Florida [14] 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, 2011