Tìm hiểu giải pháp gia cường cầu BTCT cũ bằng thanh composite và nghiên cứu áp dụng cho cầu châu ổ, KM1036+275, quốc lộ 1, tỉnh quảng ngãi (tt)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG  VÕ VĂN TRƯỜNG TÌM HIỂU GIẢI PHÁP GIA CƯỜNG CẦU BTCT CŨ BẰNG THANH COMPOSITE VÀ NGHIÊN CỨU ÁP DỤNG CHO CẦU CHÂU Ổ, KM1036+275, QUỐC LỘ 1, TỈNH QUẢNG NGÃI Chun ngành: Kỹ thuật xây dựng cơng trình giao thơng Mã số: 60.58.02.05 TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng – Năm 2015 Cơng trình hoàn thành ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS LÊ THỊ BÍCH THỦY Phản biện 1: PGS TS Hoàng Phương Hoa Phản biện 2: GS TS Nguyễn Viết Trung Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Kỹ thuật chun ngành Kỹ thuật xây dựng cơng trình giao thông họp Đại học Đà Nẵng vào ngày 13 tháng năm 2015 Có thể tìm hiểu luận văn tại:  Trung tâm Thông tin - Học liệu, Đại học Đà Nẵng  Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng MỞ ĐẦU TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Quốc lộ tuyến đường giao thông huyết mạch xuyên suốt chiều dài đất nước, qua hầu hết trung tâm, vùng kinh tế lớn với tổng chiều dài khoảng 2300 Km đường 900 cầu lớn nhỏ (phần lớn cầu xây dựng trước năm 1975) Trải qua hàng chục năm khai thác, Quốc lộ trải qua nhiều lần đầu tư xây dựng, mở rộng, sửa chữa để đảm bảo khả khai thác đường hệ thống cầu BTCT cũ tuyến Hiện Quốc lộ xây dựng mở rộng lên 04 xe giới, phấn đấu đến năm 2016 hồn thành Do để tiết kiệm kinh phí thời gian, Bộ Giao thơng vận tải có công văn đạo phải tận dụng cầu hữu tuyến xây dựng cầu bên cạnh, trường hợp cho xây dựng thay cầu cũ Vì vấn đề sửa chữa gia cố, tăng cường tải trọng cầu BTCT cũ nhu cầu thiết Ngành giao thơng nói chung Cục Quản lý Đường III nói riêng (đơn vị quản lý đoạn QL1 từ Đà Nẵng đến Khánh Hòa) Như vậy, cần thiết phải nghiên cứu đánh giá hiệu biện pháp gia cường cầu BTCT cũ sử dụng Hiện dự án sửa chữa cầu Cục QLĐB III quản lý chủ yếu gia cường dầm BTCT phương pháp dán sợi composite số cầu gia cường căng cáp DƯL Vật liệu cốt sợi Composite đời với đặc tính bền vững mơi trường muối, axít xây dựng cơng trình vùng ven biển, hải đảo lại có tính chịu lực cao thép, dễ tạo hình, thân thiện mơi trường, có khả thay phần thép kết cấu bê tơng cốt thép Do đó, học viên mạnh dạn “Tìm hiểu giải pháp gia cường cầu BTCT cũ composite nghiên cứu áp dụng cho cầu Châu Ổ, Km1036+275, QL1, tỉnh Quảng Ngãi’ cần thiết theo học viên tương lai không xa áp dụng composite MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU - Đánh giá trạng hư hỏng, sức chịu tải hệ thống cầu tuyến Quốc lộ thuộc địa bàn Cục QLĐB III - Đánh giá tổng quan biện pháp áp dụng - Nghiên cứu đặc trưng học, cấu tạo vật liệu Composite - Nghiên cứu biện pháp gia cường cầu BTCT cũ composite để áp dụng cho hệ thống cầu yếu tuyến - Nghiên cứu áp dụng cho cầu Châu Ổ, Km1036+275, QL1, tỉnh Quảng Ngãi ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU - Hệ thống cầu tuyến Quốc lộ 1- Thuộc địa bàn Cục QLĐB III - Các biện pháp gia cường sửa chữa áp dụng: PP dán thép, PP căng cáp dự ứng lực ngoài, PP dán sợi composite - Lý thuyết tính tốn kết cấu BTCT gia cường vật liệu composite - Nghiên cứu sử dụng composite thay cáp dự ứng lực căng ngoài, nghiên cứu sử dụng composite theo phương pháp dán gần bề mặt việc sửa chữa gia cường cầu cũ xuống cấp: Cầu Châu Ổ, Km 1036+275, Quốc lộ - tỉnh Quảng Ngãi - Một số ứng dụng khác composite PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU - Phương pháp nghiên cứu chủ yếu lý thuyết - Thu thập số liệu, nghiên cứu đánh giá trạng hư hỏng hệ thống cầu từ đề xuất giải pháp gia cường cụ thể cho đối tượng hư hỏng - Nghiên cứu áp dụng cụ thể việc sử dụng composite so với Cáp dự ứng lực ngoài, nghiên cứu sử dụng composite theo phương pháp dán gần bề mặt cơng trình thực tế: Sửa chữa cầu Châu Ổ, Km 1036+275, Quốc lộ 1, tỉnh Quảng Ngãi KẾT CẤU LUẬN VĂN Luận văn gồm nội dung sau: Chương 1: Hiện trạng cầu tuyến QL1A thuộc địa bàn Cục QLĐB III quản lý sơ lược giải pháp gia cường cầu Chương 2: Lý thuyết tính tốn gia cường cầu BTCT cũ vật liệu composite Chương 3: Tìm hiểu nghiên cứu thực nghiệm áp dụng composite để gia cường cơng trình dầm cầu BTCT ứng dụng composite Chương 4: Nghiên cứu ứng dụng cơng trình: Sửa chữa cầu Châu Ổ, Km1036+275, QL1, tỉnh Quảng Ngãi composite CHƢƠNG HIỆN TRẠNG CÁC CẦU TRÊN TUYẾN QL1A THUỘC ĐỊA BÀN CỤC QUẢN LÝ ĐƢỜNG BỘ III QUẢN LÝ VÀ SƠ LƢỢC CÁC GIẢI PHÁP GIA CƢỜNG CẦU 1.1 HIỆN TRẠNG CÁC CẦU TRÊN TUYẾN QL1A TỪ ĐÀ NẴNG ĐẾN KHÁNH HÒA DO CỤC QUẢN LÝ ĐƢỜNG BỘ III QUẢN LÝ Chỉ tính riêng trạng hệ thống cầu tuyến Quốc lộ qua tỉnh thành: Đà Nẵng, Quảng Nam, Quảng Ngãi, Bình Định, Phú n Khánh Hịa sau: Bảng 1.1 Tổng hợp cầu tuyến QL1 đoạn địa bàn Cục QLĐBIII TT Loại cầu Cầu BTCT thường Số lượng 73 Tỷ lệ 41.24% Chiều dài 2.955,84 Tỷ lệ 19.830% Cầu BTCT DƯL 66 37.29% 10.276,22 68.93% Cầu dầm thép liên hợp BTCT 38 21.47% 1.676,67 11.24% Tổng cộng loại 177 100.0% 14.908,73 100.0% Dựa số liệu trạng hệ thống cầu tuyến QL1 nêu trên, trạng sức chịu tải cầu tuyến sau: - Số lượng cầu tải trọng khai thác 25T: 87/177 cầu chiếm 49,15% - Số lượng cầu tải trọng khai thác 30T: 79/177 cầu chiếm 44,63% - Số lượng cầu tải trọng khai thác H30-XB80: 11/177 cầu chiếm 6,2% Theo Bảng thống kê thấy tình trạng 87 cầu có tải trọng khai thác 25T đa số xây dựng trước năm 1975 cầu yếu cần gia cố, sửa chữa tăng cường Việc phương tiện có tải trọng vượt cấp tải trọng cho phép lưu lượng xe qua lại cầu lớn ảnh hưởng đến khả khai thác tuổi thọ cầu BTCT nhịp giản đơn tuyến Quốc lộ 1.2 CÁC DẠNG HƯ HỎNG THƯỜNG THẤY TRÊN CÁC CẦU BTCT VÀ BTCT DƯL TRÊN TUYẾN QL1A 1.2.1 Hư hỏng dầm bị võng, dịch chuyển vị trí 1.2.2 Hư hỏng phong hóa bê tơng 1.2.3 Hiện tượng mỏi thép 1.2.4 Hư hỏng bị nứt bê tông         Hình 1.5 Các dạng vết nứt kết cấu nhịp cầu 1-Do co ngót 2-Nứt xiên 3- Nứt dọc chỗ tiếp giáp cánh sườn dầm 4-Nứt ngang cánh 5-Nứt ngang bầu dầm 6-Nứt dọc bầu dầm 7-Nứt vùng sát gối 8-Nứt ngang đầu dầm 1.2.5 Vỡ bê tông đầu dầm vị trí gối 1.2.6 Nứt vỡ bê tơng cánh dầm dọc cầu 1.2.7 Bê tông rỗ tổ ong, rỉ cốt thép, nứt vỡ 1.2.8 Trường hợp bị bong tróc hư hỏng khác 1.3 SƠ LƢỢC CÁC GIẢI PHÁP GIA CƢỜNG PHỔ BIẾN ĐƢỢC ÁP DỤNG CHO CÁC CẦU YẾU TRÊN TUYẾN 1.3.1 Gia cƣờng dán thép 1.3.2 Gia cƣờng căng cáp DƢL 1.3.3 Gia cƣờng dán sợi composite 1.3.4 Gia cường composite thay cáp DƯL 1.3.5 Giải pháp cuối cùng: Phá dỡ, thay xây 1.4 KẾT LUẬN CHƢƠNG Chương nghiên cứu trạng, đặc điểm kết cấu đặc điểm hư hỏng hệ thống cầu tuyến Cục QLĐB III quản lý tìm hiểu tổng quan giải pháp gia cường áp dụng Các dự án cần nâng cấp sửa chữa cầu so với yêu cầu thực tế Cục QLĐB III hàng năm chiếm tỷ lệ thấp kinh phí có hạn Hiện Quốc lộ mở rộng lên 04 xe giới, Bộ GTVT có cơng văn đạo phải tận dụng cầu hữu tuyến xây dựng cầu bên cạnh, trường hợp khó khăn cho xây dựng thay cầu cũ Như nhu cầu gia cường sửa chữa cầu yêu cầu thiết Hiện dự án sửa chữa cầu Cục QLĐB III quản lý chủ yếu gia cường dầm BTCT phương pháp dán sợi composite số cầu gia cường căng cáp DƯL ngồi Do đó, học viên mạnh dạn nghiên cứu áp dụng biện pháp gia cường dầm BTCT composite cho số cầu để khắc phục tượng xâm thực, gỉ cốt thép, thân thiện môi trường địa bàn Cục QLĐB III cần thiết theo học viên tương lai không xa áp dụng Các chương sau nghiên cứu chi tiết composite CHƢƠNG LÝ THUYẾT TÍNH TỐN KHI GIA CƢỜNG CẦU BTCT CŨ BẰNG VẬT LIỆU COMPOSITE 2.1 TỔNG QUAN VỀ LỊCH SỬ HÌNH THÀNH VÀ PHÁT TRIỂN CỦA VẬT LIỆU CỐT SỢI COMPOSITE 2.2 CẤU TẠO VÀ CÁC ĐẶC TRƢNG CỦA VẬT LIỆU CỐT SỢI COMPOSITE 2.2.1 Cấu tạo vật liệu composite 2.2.2 Các đặc trƣng học vật liệu composite FRP 2.3 SO SÁNH VẬT LIỆU CỐT SỢI COMPOSITE VỚI VẬT LIỆU XÂY DỰNG TRUYỀN THỐNG 2.3.1 Ƣu điểm vật liệu cốt sợi với vật liệu xây dựng truyền thống 2.3.2 Thanh composite FRP mô đun đàn hồi cao 2.3.3 Nhƣợc điểm vật liệu cốt sợi FRP với vật liệu xây dựng truyền thống 2.4 LÝ THUYẾT TÍNH TỐN CỦA GIẢI PHÁP GIA CƢỜNG BẰNG VẬT LIỆU COMPOSITE 2.4.1 Lý thuyết tính tốn sức kháng uốn kết cấu tăng cƣờng vật liệu FRP b f 'c c d's 's f 's  c h=df C's Cc ds  tf A CFRP fs s  ff Ts TCFRP CFRP Hình 2.8 Mơ hình lý thuyết tăng cường sức kháng uốn Tổng lực nén tổng lực kéo ta có phương trình sau:  f c'bc  AS ' f S '  AS f S  A frp f f Giải phương trình bậc tìm c Mơ men Mn: M n  AS f S d S  c   A frp f f h  c    f c' bc c  AS ' f S ' c    2.4.2 Mơ hình tính tốn sức kháng cắt kết cấu tăng cƣờng vật liệu FRP 2.4.3 Tính toán tăng cƣờng sức kháng uốn dầm BTCT sử dụng vật liệu FRP 2.4.4 Tính tốn tăng cƣờng sức kháng uốn dầm BTCT DƢL theo tiêu chuẩn ACI 440.2R-08 2.4.5 Tính tốn tăng cƣờng sức kháng cắt dầm BTCT DƢL 2.5 KẾT LUẬN CHƢƠNG Chương giới thiệu khái quát đặc tính, cấu tạo vật liệu composite nghiên cứu lý thuyết tính toán phương pháp gia cường vật liệu composite (chủ yếu lý thuyết tính tốn mơ hình thực nghiệm gia cường sợi composite) Theo học viên lý thuyết tính tốn gia cường composite dán gần bề mặt tương tự lý thuyết áp dụng cho sợi composite CHƢƠNG TÌM HIỂU CÁC NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ÁP DỤNG THANH COMPOSITE ĐỂ GIA CƢỜNG CƠNG TRÌNH DẦM CẦU BTCT VÀ CÁC ỨNG DỤNG THANH COMPOSITE 3.1 SỬ DỤNG THANH COMPOSITE CỐT SỢI CAC BON ĐỂ TĂNG CƢỜNG KHẢ NĂNG CHỊU LỰC CỦA DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP 3.1.1 FRP nằm bên 3.1.2 FRP dán bề mặt kết cấu BTCT 3.1.3 FRP dán gần bề mặt (Near Surface Mounted) FRP đặt vào rãnh cắt bề mặt kết cấu bê tông liên kết với bê tơng qua hai lớp chất kết dính nên tăng cường khả tách lớp liên kết Hệ thống ứng dụng với hai loại tiết diện FRP NSM FRP có ưu điểm vượt trội so với phương pháp dán trực tiếp FRP lên bề mặt bê tông điểm sau: - Tăng cường diện tích liên kết sử dụng hai lớp chất kết dính với hai bề mặt bê tông - Tăng cường khả chống đứt, gãy liên kết - Giảm thiểu khả tách lớp sớm liên kết - Bảo vệ FRP khỏi phá hoại bên tác động lực va chạm, môi trường, nhiệt độ cao (khi xảy cháy) - Giảm công tác chuẩn bị bề mặt bê tông cần liên kết 10 phương pháp dán composite chịu tác động trực tiếp mơi trường làm giảm khả làm việc tuổi thọ vật liệu gia cường Ngoài ra, composite ứng dụng ngày nhiều lĩnh vực xây dựng ưu điểm CHƢƠNG NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG Ở CƠNG TRÌNH: SỬA CHỮA CẦU CHÂU Ổ, KM 1036+275, QUỐC LỘ 1, TỈNH QUẢNG NGÃI BẰNG THANH COMPOSITE 4.1 HIỆN TRẠNG CỦA CẦU CHÂU Ổ, KM1036+275, QUỐC LỘ 1, TỈNH QUẢNG NGÃI Hình 4.1 Hiện trạng Cầu Châu Ổ Km 1036+275, QL1-tỉnh Quảng Ngãi Cầu Châu Ổ Km 1036+275, QL1 thuộc địa phận tỉnh Quảng Ngãi Cầu xây dựng trước năm 1975 gồm 10 nhịp giản đơn, dầm BTCT DƯL, cắt ngang cầu gồm 09 dầm chủ dài 24,7m dạng chữ T nhà máy bê tông Châu Thới sản xuất trước đây, chiều dài nhịp: 24,7 m, chiều dài toàn cầu Ltc = 248m Bề rộng cầu: B=7,6+2x0,7m Đến thời điểm trước tháng 12/2014, cầu tồn số hư hỏng như: Mối nối dọc dầm chủ bị hư hỏng, dầm chủ 11 bị nứt vỡ bê tông cục lộ cáp DƯL bị đứt, lớp phủ mặt cầu bị dồn u, đáy lề hành bị bong vỡ, lan can tay vịn bị hỏng, Như Cầu Châu Ổ với loại dầm thiết kế với tải trọng HS20-44 có hiệu ứng tải khoảng 75% so với tải trọng đoàn xe H30 chưa kể tới xe nặng XB80, xây dựng từ lâu nên kết cấu nhịp cầu chưa đáp ứng yêu cầu tải trọng thiết kế H30, XB80 theo tiêu chuẩn 22TCN18-79 Sự phát triển kinh tế xã hội dẫn đến nhu cầu cấp bách mở rộng QL1 từ 02 xe lên 04 xe giới để đảm bảo lưu lượng xe tham gia giao thông tuyến thơng suốt Vì vậy, tải trọng thiết kế cầu HS20-44 theo quy trình AASHTO92 trước khơng cịn phù hợp, cầu xây dựng tuyến năm gần thiết kế với tải trọng H30-XB80 (theo 22TCN18-79) HL93 (theo 22TCN272-05) Mặt khác đặc điểm loại kết cấu nhịp kết cấu dầm lắp ghép, liên kết ngang chủ yếu thông qua tao cáp DƯL ngang (căng dầm ngang) Sau thời gian dài khai thác điều kiện môi trường nóng ẩm, mưa nhiều, độ ẩm cao nên tao cáp DƯL ngang bị hư hỏng nhanh chóng (gỉ, đứt) làm giảm độ cứng ngang cầu, phân bố lực hoạt tải dầm chủ bị suy giảm nhanh chóng dẫn đến dầm chủ bị tải Do yếu tố kỹ thuật cầu khơng cịn phù hợp với nhu cầu khai thác nên kết cấu nhịp (hệ dầm cầu) bị hư hỏng xuống cấp nghiêm trọng Như vậy, Quốc lộ tuyến giao thông huyết mạch quốc gia, có ý nghĩa đặc biệt quan trọng cho nghiệp phát triển kinh tế, xã hội, văn hóa, ổn định an ninh trị Đất nước Với trạng hư hỏng cầu Châu Ổ phân tích nhận thấy cầu bị hư hỏng xuống cấp nghiêm trọng kết cấu nhịp Vì vậy, cần phải đầu tư sửa chữa, gia cố cầu để trì khả khai thác, 12 kéo dài tuổi thọ cơng trình 4.2 TÍNH TỐN SỨC CHỊU TẢI CỦA DẦM BTCT CŨ THEO TẢI TRỌNG KHAI THÁC HAÛ LỈU THỈÅÜNG LỈU LAN CAN, TAY VËN LAN CAN, TAY VËN BTN C20 HON TR DY 5CM BN BTCT TÀNG CỈÅÌNG DY 10-14CM BN CẠNH DÁƯM CH DY 16CM DÁƯM DÁÖM DÁÖM DÁÖM DÁÖM DÁÖM DÁƯM DÁƯM DÁƯM Hình 4.2 Mặt cắt ngang cầu A Tính tốn, tổ hợp nội lực Bảng 4.8 Tổ hợp nội lực TTGHCĐ I dầm Mômen TTGHCĐ I với TH1 Lực cắt TTGHCĐ I với TH1 Mômen TTGHCĐ I với TH2 Lực cắt TTGHCĐ I với TH2 K.hiệu Gối MTH1 0.00 QTH1 426.13 341.08 MTH2 0.00 943.36 QTH2 395.65 324.08 L/8 L/4 L/2 Đơn vị 1,048.06 1,788.39 2,337.49 KNm 257.89 97.10 KN 1,555.82 1,997.46 KNm 252.52 109.38 KN Bảng 4.9 Tổ hợp nội lực TTGHCĐ I dầm ngồi K.hiệu Gối Mơmen TTGHCĐ I với TH1 Lực cắt TTGHCĐ I với TH1 Mômen TTGHCĐ I với TH2 Lực cắt TTGHCĐ I với TH2 L/8 MTH1 0.00 1,178.87 QTH1 463.59 369.26 MTH2 0.00 972.36 QTH2 390.71 314.98 Đơn vị 2,012.37 2,634.53 KNm 277.69 102.88 KN 1,616.14 2,091.19 KNm 240.20 93.46 KN L/4 L/2 13 Bảng 4.10 Tổ hợp nội lực TTGHSD dầm Kí hiệu Gối Mơmen TTGHSD với TH1 MTH1 0.00 Lực cắt TTGHSD với TH1 QTH1 Mômen TTGHSD với TH2 MTH2 Lực cắt TTGHSD với TH2 QTH2 L/8 L/4 L/2 769.77 1,313.70 1,718.00 KNm 312.37 249.62 188.21 0.00 Đơn vị 69.35 KN 627.11 1,039.99 1,342.66 KNm 125.00 109.38 93.75 62.50 KN Bảng 4.11 Tổ hợp nội lực TTGHSD dầm ngồi Kí hiệu Mômen TTGHSD với TH1 MTH1 Lực cắt TTGHSD với TH1 QTH1 Mômen TTGHSD với TH2 MTH2 Lực cắt TTGHSD với TH2 QTH2 Gối 0.00 L/8 L/4 L/2 Đơn vị 764.67 1,305.97 1,713.50 KNm 299.30 236.80 0.00 175.88 58.79 KN 646.66 1,079.55 1,403.02 KNm 257.65 205.78 154.45 53.41 KN BIỂU ĐỒ MOMEN UỐN TTGHCĐ I M TH2 Dầm M TH1 Dầm M TH2 Dầm M TH1 Dầm Gối L/8 -943 -972 L/4 -1,555 L/2 -1,048 -1,178 L/4 -1,555 L/8 -943 -972 Gối -2,091 -1,616 -1,788 -2,012 -1,616 -2,091 -2,337 -1,788 -1,048 -1,178 -2,012 -2,634 Hình 4.4 Biểu đồ mơ men uốn TTGHCĐI 14 BIỂU ĐỒ MOMEN UỐN TTGH SỬ DỤNG Gối M TH2 Dầm M TH2 Dầm M TH1 Dầm M TH1 Dầm L/8 -627 -646 -764 -769 L/4 -1,039 L/2 -1,342 L/4 -1,039 L/8 -1,079 -1,079 -1,403 -1,305 -1,313 -627 -646 -764 -769 Gối -1,305 -1,713 -1,313 -1,718 Hình 4.5 Biểu đồ mơ men uốn TTGHSD Nhận xét: Nhận thấy trường hợp nội lực lớn dầm chịu tác dụng tổ hợp tải trọng: Tĩnh tải+ HL93+ người (TH1) theo trạng thái giới hạn cường độ I Do ta cần kiểm toán khả chịu tải dầm theo trạng thái giới hạn cường độ I B Kiểm toán cường độ uốn dầm theo TTGH CĐ1 Nhận thấy trường hợp nội lực lớn dầm chịu tác dụng tổ hợp tải trọng: Tĩnh tải+ HL93+ người (TH1) theo trạng thái giới hạn cường độ I Do ta cần kiểm tốn khả chịu tải dầm ngồi theo trạng thái giới hạn cường độ I Bảng 4.12 Tính tốn kiểm tốn sức kháng uốn Mr dầm ngồi với tải trọng HL93(TH1) tải trọng đoàn xe 30T(TH2) Kí hiệu Sức kháng uốn trước gia cường Mơmen tính tốn TH1 Kết luận Mơmen tính tốn TH2 Kết luận Mr MTH1 MTH2 Gối L/8 L/4 L/2 Đơn vị 1,384.96 1,682.21 1,980.15 2,278.53 KNm 0.00 Đạt 0.00 Đạt 1,178.87 2,012.37 2,634.53 KNm Đạt Đạt Đạt 972.36 1,616.14 2,091.19 KNm Đạt Đạt Đạt 15 Nhận xét: Kiểm toán sức kháng uốn dầm tiết diện L/4 L/2 không đủ khả chịu mô men dương tổ hợp tải trọng HL93 Như cần thiết phải tăng cường sức kháng Mô mem uốn cho dầm 3,000.00 2,500.00 2,000.00 1,500.00 1,000.00 500.00 - Mu1 - 1,178.8 2,012.3 2,634.5 2,012.3 1,178.8 - Mu2 - 972.36 1,616.1 2,091.1 1,616.1 972.36 - 1,384.9 1,682.2 1,980.1 2,278.5 1,980.1 1,682.2 1,384.9 Mr Chiều dài nhịp (m) Hình 4.6 Biều đồ sức kháng uốn dầm trước gia cường C Kiểm toán sức kháng cắt dầm theo TTGHCD1 Bảng 4.13 Tính toán sức kháng cắt Vn tải trọng HL93(TH1) Lực cắt tính tốn đối TH1 Sức kháng cắt danh định Sức kháng cắt tính tốn trước gia cường Kết luận Kí hiệu Gối L/8 Vu 463.59 369.26 Vn 901.69 297.75 811.52 267.97 Vr Đạt Đạt L/4 L/2 Đơn vị 277.69 102.88 KN 308.61 272.17 KN 277.75 244.96 KN Đạt Đạt Bảng 4.14 Tính tốn sức kháng cắt Vn tải trọng xe 30T (TH2) Lực cắt tính toán đối TH2 Sức kháng cắt danh định Sức kháng cắt tính tốn Kết luận Kí hiệu Gối L/8 L/4 L/2 Đơn vị Vu 395.65 324.08 252.52 109.38 KN Vn 971.52 288.19 306.07 272.17 KN Vr 874.37 259.37 275.47 244.96 KN Đạt Đạt Đạt Đạt 16 Q - Lực Cắt 1,000.00 800.00 600.00 400.00 200.00 (200.00) (400.00) (600.00) (800.00) (1,000.00) 10 15 20 25 30 L-chiều dài nhịp Vu Hình 4.7 Biều đồ sức kháng cắt dầm trước gia cường Nhận xét: Kiểm toán sức kháng cắt dầm tiết diện L/8 không đủ khả chịu lực cắt tổ hợp tải trọng HL93 tổ hợp tải trọng đoàn xe 30T theo TTGHCĐ I Như cần thiết phải tăng cường sức kháng cắt tiết diện L/8 cho dầm D Đánh giá lựa chọn tiết diện tỷ lệ sức kháng uốn, sức kháng cắt cần tăng cường Bảng 4.15 Tỷ lệ mômen cần tăng cường cho dầm MTH1 Mr M thiếu cần gia cường % Đơn vị KN.m KN.m KN.m % L/4 2,012.37 1,980.15 32.22 1.6% L/2 2,634.53 2,278.53 356.00 15.62% Bảng 4.16 Tỷ lệ sức kháng cắt cần tăng cường cho dầm Vu Vr V thiếu cần gia cường % Đơn vị KN KN KN % L/8 369.26 267.97 101.29 37.8% Kết luận: Qua phân tích, kiểm tốn sức kháng dầm chưa tăng cường với tổ hợp tải trọng HL93, tổ hợp H30 cho thấy: Cần thiết phải tăng cường sức kháng uốn cho tiết diện L/2, L/4 gia 17 cường sức kháng cắt cho tiết diện L/8 cho tất dầm ngồi Như vậy, có tất cả: dầm x 10 nhịp = 90 dầm cần phải gia cường 4.3 GIA CƢỜNG DẦM BTCT DƢL GIẢN ĐƠN CŨ BẰNG PHƢƠNG PHÁP CĂNG CÁP DỰ ỨNG LỰC NGỒI (DƢL-N) Tăng cường thêm bó tao Φ12,7mm cho dầm Cho lực căng đầu dầm bó P= 500 KN Bảng 4.18 Bảng tính tăng cường sức kháng uốn cáp DƯL-N Mơ men Kí hiệu Gối L/8 Sức kháng uốn tính tốn Mr 1384.96 1682.21 Mơ men tăng cường cáp MdưlN 240.93 380.76 DƯL N Mô men sau tăng cường Mstc 1625.88 2062.97 Mơmen tính tốn với MTH1 0.00 1,178.87 TH1 Kết luận Đạt Đạt Mômen tính tốn với MTH2 0.00 972.36 TH2 Kết luận Đạt Đạt Hiệu tăng cường % 15.66 20.37 3000 2500 2000 1500 1000 500 L/4 L/2 Đơn vị 1980.15 2278.53 KNm 526.85 526.62 KNm 2507.00 2805.16 KNm 2,012.37 2,634.53 KNm Đạt Đạt 1,616.14 2,091.19 KNm Đạt 23.95 Đạt 20.80 Gối L/8 L/4 L/2 L/4 L/8 Gối Mu1 1,178 2,012 2,634 2,012 1,178 Mu2 972 1,616 2,091 1,616 972 1,625 2,062 2,507 2,805 2,507 2,062 1,625 Mr Hình 4.12 Biểu đồ mơ men uốn sau tăng cường cáp DƯL-N 18 Bảng 4.19 Bảng tính tăng cường sức kháng cắt cáp DƯL-N Lực cắt tính toán TH1 Sức kháng cắt danh định Sức kháng cắt tăng cường DƯL Sức kháng cắt tính tốn Sức kháng cắt sau tăng cường Kết luận Hiệu sau tăng cường Kí hiệu Vu Vn Vdưl Vr VrTC % Gối 463.59 901.69 111.13 811.52 922.65 Đạt 13.69 L/8 369.26 297.75 111.13 267.97 379.11 Đạt 41.47 L/4 277.69 308.61 111.13 277.75 388.88 Đạt 40.01 L/2 Đơn vị 102.88 KN 272.17 KN 244.96 KN 244.96 KN Đạt Hình 4.13 Biểu đồ lực cắt sau tăng cường cáp DƯL-N 4.4 GIA CƢỜNG DẦM BTCT DƢL GIẢN ĐƠN CŨ BẰNG CĂNG THANH FRP COMPOSITE THAY CÁP DƢL CĂNG NGOÀI Với ưu điểm composite có cường độ mơ đun đàn hồi cao, đặc biệc chống môi trường xâm thực, không bị han gỉ cáp DƯL Nên, học viên mạnh dạn thay tăng cường sức kháng dầm cáp DƯL-N composite Theo tài liệu ISIS EC module Thanh composite dùng để dự ứng lực có thơng số kỹ thuật sau: Thanh CFRP đường kính Φ10mm có Afrp=71.6 mm2; ffrp=2860 Mpa; Efrp=147000 Mpa Lấy cường độ căng kéo ffrp’= 0.55ffrp= 1573 Mpa 19 Tăng cường bó, bó CFRP Φ10mm cho dầm Cho lực căng đầu dầm bó P= 500 KN Tính dự ứng lực có hiệu nội CFRP dự ứng lực là: N = P/Aps=500/(7x71.6x2)=0,499KN/mm2=499 Mpa = 0,317 ffrp’ Đạt yờu cu HAè NĩI Hệ CHấ MINH dầm ngang (Cáp)thanh composite căng mặt cắt 1/2,1/4 dầm bệ căng cáp mặt cắt bệ căng cáp 900 250 640 790 400 900 Hình 4.14 Sơ đồ bố trí cáp (Thanh FRP) dự ứng lực 4.5 GIA CƢỜNG DẦM BTCT DƢL GIẢN ĐƠN CŨ BẰNG THANH FRP COMPOSITE THEO PHƢƠNG PHÁP DÁN GẦN BỀ MẶT (NSM) 4.5.1 Tính tốn sức kháng uốn dầm tăng cƣờng với composite FRP HÄƯ CHÊ MINH 45° H NÄÜI 200 FRP D8 PHạM VI GIA Cố THANH FRP DƯớI ĐáY DầM mặt cắt 1/2 dầm mặt cắt 1/4 dầm 900 mặt cắt 1/8 dầm 900 900 40 06 Thanh D20 FRP 40 40 40 Thanh D8 FRP 40 04Thanh D20 FRP 40 02Thanh D20 FRP Hình 4.16 Sơ đồ bố trí FRP gia cường kháng uốn cắt dầm 20 Bảng 4.21 Tính tốn tăng cường sức kháng mômen dương dầm sử dụng FRP theo phương pháp dán gần bề mặt (NSM) Kí hiệu Sức kháng uốn cáp DƯL L/8 L/4 L/2 Đơn vị Mnp 1821.52 2091.13 2377.94 KNm Mnf 515.77 874.56 Mpa Sức kháng uốn sau tăng cường Mn 2033.93 2433.22 2809.18 MPa Mơmen tính tốn với TH1 Mu1 1,178.87 2,012.37 2,634.53 MPa Sức kháng uốn FRP Kết luận Đạt Mômen tính tốn với TH2 Mu2 720.53 Đạt Đạt 972.36 1,616.14 2,091.19 Kết luận Đạt Hiệu tăng cường 21.55% Đạt MPa Đạt 25.17% 26.46% Mô mem Khả chịu tải sau sửa chữa 3,000.00 2,500.00 2,000.00 1,500.00 1,000.00 500.00 Mu1 Mu2 Mr - 1,178 2,012 2,634 2,012 1,178 - - 972.3 1,616 2,091 1,616 972.3 - 1,384 2,033 2,433 2,809 2,433 2,033 1,384 Chiều dài nhịp (m) Hình 4.18 Biểu đồ sức kháng uốn sau gia cường FRP theo phương pháp dán gần bề mặt Nhận xét: Sau gia cường sức kháng uốn composite tiết diện L/2 (6 Φ20mm), tiết diện L/4 (4 Φ20 mm) tiết diện thỏa mãn với giá trị momen uốn TH1 4.5.2 Tính tốn sức kháng cắt dầm tăng cƣờng với FRP theo phƣơng pháp dán gần bề mặt 21 Bảng 4.23 Sức kháng cắt dầm TH1sau tăng cường Kí hiệu Gối L/8 L/4 L/2 Sức kháng cắt danh định Min 901.69 297.75 308.61 272.17 cốt thép (Vn1,Vn2) Sức kháng cẳt FRP Sức kháng cắt tính tốn Lực cắt tính tốn với TH1 fVf - Q - Lực Cắt - KN 811.52 488.45 351.24 244.96 KN Vu 463.59 369.26 277.69 102.88 KN Đạt 81.66 KN Vn Kết luận 1,000.00 800.00 600.00 400.00 200.00 (200.00) (400.00) (600.00) (800.00) (1,000.00) 244.97 Đơn vị 10 Đạt 15 Đạt 20 Đạt 25 30 L-chiều dài nhịp Vu1 Vr Hình 4.19 Biểu đồ thể sức kháng cắt dầm sau gia cường FRP theo phương pháp dán gần bề mặt Kết quả: Gia cường composite dán gần bề mặt: + Dùng Φ20mm đáy dầm giúp tăng cường sức kháng uốn lên 26.46% khả chịu mô men dương tiết diện L/2 + Dùng D8mm hai bên dầm giúp tăng cường sức kháng cắt lên 50.2% khả chịu lực cắt tiết diện L/8 dầm 4.6 PHÂN TÍCH, SO SÁNH GIẢI PHÁP GIA CƢỜNG CẦU BTCT CŨ BẰNG CĂNG CÁP DƢL-N VÀ GIẢI PHÁP GIA CƢỜNG BẰNG THANH COMPOSITE 4.6.1 Bảng tổng hợp so sánh chi phí xây dựng giải pháp gia cƣờng dầm 22 CHI PHÍ XÂY DỰNG HẠNG MỤC CHI PHÍ KÝ HIỆU CÁCH TÍNH P.ÁN 1: Căng cáp DƢL-N (1) (2) (3) (4) (5) (5) (5) I CHI PHÍ TRỰC TIẾP STT P.ÁN 2: Dán P.ÁN 3: Căng composite composite gần bề mặt nhƣ cáp DƢL-N Chi phí vật liệu VL Vật liệu 1,810,178,181 1,607,147,783 2,200,618,130 Chi phí nhân cơng NC Nhân cơng 727,281,932 2,083,683,221 496,481,028 Chi phí máy M Máy 368,144,563 1,103,158,623 170,917,894 Trực tiếp phí khác TT 2%(VL+NC+M) 58,112,094 95,879,793 57,360,341 Cộng chi phí trực tiếp T VL+NC+M+TT 2,963,716,769 4,889,869,420 2,925,377,392 160,895,757 II Chi phí chung C 5,5%*T 163,004,422 268,942,818 III Thu nhập chịu thuế tính trước TL 6%(T + C) 187,603,272 309,528,734 185,176,389 A CHI PHÍ XD TRƢỚC THUẾ Gtt T + C + TL 3,314,324,463 5,468,340,973 3,271,449,538 IX Thuế giá trị gia tăng VAT 10%*Gtt 331,432,446 546,834,097 327,144,954 B CHI PHÍ XD SAU THUẾ Gst Gtt + VAT 3,645,756,910 6,015,175,070 3,598,594,492 V Chi phí xây dựng nhà tạm (Phần cầu) LT 1.0 % x Gtt x 1,1 36,457,569 60,151,751 35,985,945 C TỔNG CHI PHÍ XÂY DỰNG Gxd Gst + LT 3,682,214,000 6,075,327,000 3,634,580,000 4.6.2 Ƣu điểm nhƣợc điểm căng cáp DƢL-N 4.6.3 Ƣu điểm nhƣợc điểm gia cƣờng composite a Gia cường căng composite thay cáp DƯL căng b Gia cường phương pháp composite dán gần bề mặt 4.7 KẾT LUẬN CHƢƠNG Chương tiến hành nghiên cứu so sánh, phân tích, tính tốn giải pháp gia cường cầu BTCT: Giải pháp căng cáp DƯL-N; giải pháp thay cáp DƯL-N composite; giải pháp dán composite gần bề mặt áp dụng cụ thể cho cầu Châu Ổ, Km1036+275 Từ đánh giá ưu nhược điểm, hiệu quả, tính kinh tế phương án gia cường để áp dụng vào thực tế gia cường cầu cũ địa bàn Cục QLĐB III quản lý 23 Hiện nay, Phương án gia cường composite thay cáp DƯL-N chưa ứng dụng thực tế Cục Quản lý đường III quản lý theo học viên thời gian tới phương án đột phá, kết hợp ưu điểm vật liệu cơng nghệ căng cáp ngồi, mạnh dạn áp dụng công nghệ tiên tiến, thân thiện môi trường (như làm phương pháp dán sợi composite) để áp dụng gia cường, sửa chữa cho cầu có kết cấu định hình dầm giống Cầu Châu Ổ KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận - Luận văn nghiên cứu trạng hệ thống cầu tuyến quốc lộ 1A đoạn thuộc địa bàn Cục quản lý đường III quản lý đánh giá tổng quan giải pháp gia cường cầu cũ tuyến QL1 - Ngoài biện pháp gia cường phổ biến nay, học viên nghiên cứu, phân tích, tìm hiểu gia cường dầm thực nghiệm, giải pháp gia cường cầu BTCT cũ composite - Luận văn ưu điểm gia cường cầu cũ composite như: + Hiệu tăng cường lớn có cường độ chịu kéo mô đun đàn hồi lớn, khối lượng riêng vật liệu nhỏ + Khả chịu tác động môi trường cao, không bị han gỉ, đặc biệt vùng xâm thực, nước biển, hải đảo + Đặc biệt giải pháp dùng composite căng DƯL-N: Kết hợp ưu phương pháp căng DƯL ngồi tính ưu điểm composite + Giải pháp thân thiện với môi trường + Giá thành vật liệu composite giảm so với trước 24 - Luận văn phân tích ưu nhược điểm phương án gia cường để chọn giải pháp gia cường phù hợp cho hệ dầm cầu Châu Ổ vừa đáp ứng kỹ thuật, đảm bảo kinh tế, tăng tuổi thọ cơng trình, đáp ứng u cầu chịu tải trọng tương đương với tải trọng xe thiết kế HL93 Giải pháp tăng cường composite theo phương pháp dán gần bề mặt: Cắt, đục khe bê tông dầm, dán composite keo epoxy vữa khó thực hiện, chi phí cao Vì Phương án gia cường dầm composite thay cáp DƯLN khả thi cho gia cường dầm cầu Châu Ổ, Km1036+275, QL1, tỉnh Quảng Ngãi Kiến nghị - Các cầu BTCT cũ sửa chữa gia cường trước phương pháp căng cáp DƯL-N bị hư hỏng, han gỉ cáp địa bàn Cục Quản lý đường III xem xét sử dụng composite thay cáp DƯL-N phù hợp - Đối với cầu BTCT cũ vùng ngập mặn, xâm thực ngồi biện pháp gia cường dầm sợi composite phổ biến gia cường composite cần phải xem xét, thấu đáo - Vật liệu composite cần nghiên cứu, ứng dụng thực tế nhiều - Sớm ban hành tiêu chuẩn vật liệu composite để áp dụng rộng rãi vào công trình xây dựng Định hướng nghiên cứu tiếp theo: Trong thời gian tới, hướng nghiên cứu ứng dụng trực tiếp phương pháp gia cường kết hợp: Thanh composite với sợi composite vào số cơng trình cầu cũ cần sửa chữa, gia cường địa bàn Cục Quản lý đường III theo dõi khả ứng xử chịu lực độ bền vật liệu composite ... Nghiên cứu biện pháp gia cường cầu BTCT cũ composite để áp dụng cho hệ thống cầu yếu tuyến - Nghiên cứu áp dụng cho cầu Châu Ổ, Km1036+275, QL1, tỉnh Quảng Ngãi ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU... ? ?Tìm hiểu giải pháp gia cường cầu BTCT cũ composite nghiên cứu áp dụng cho cầu Châu Ổ, Km1036+275, QL1, tỉnh Quảng Ngãi? ?? cần thiết theo học viên tương lai không xa áp dụng composite MỤC TIÊU NGHIÊN... phân tích, tính tốn giải pháp gia cường cầu BTCT: Giải pháp căng cáp DƯL-N; giải pháp thay cáp DƯL-N composite; giải pháp dán composite gần bề mặt áp dụng cụ thể cho cầu Châu Ổ, Km1036+275 Từ đánh