Nghiên cứu lựa chọn giải pháp gia cường cầu Thủy Triều - Đức Phổ - Quảng Ngãi

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN HOÀNG TÚ NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN GIẢI PHÁP GIA CƢỜNG CẦU THỦY TRIỀU – ĐỨC PHỔ - QUẢNG NGÃI Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng cơng trình giao thơng Mã số: 85.80.205 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng - Năm 2018 Cơng trình hồn thành TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS NGUYỄN XUÂN TOẢN Phản biện 1: PGS.TS NGUYỄN PHI LÂN Phản biện 2: TS VÕ DUY HÙNG Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật, Kỹ thuật xây dựng cơng trình giao thơng họp Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng vào ngày 21 tháng 10 năm 2018 * Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng Trường Đại học Bách khoa -Thư viện Khoa kỹ thuật xây dựng cơng trình giao thơng, Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN PHẦN MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Hiện việc phát triển kinh tế huyện Đức Phổ nên nhu cầu giao thông qua cầu Thủy Triều tăng cao Đó tuyến đường huyết mạch từ Khu công nghiệp Phổ Phong xuống cảng Mỹ Á thúc đẩy phương tiện giao thông không ngừng nâng cấp, phát triển theo Tải trọng phương tiện vận chuyển tăng lên nhiều (vượt tải trọng 0,65HL93) làm cho cầu Thủy Triều phần xuống cấp khơng có khả chịu loại xe có tải trọng nặng Với nhu cầu khai thác (tải trọng xe lưu lượng xe) ngày tăng, cần thiết phải xây dựng cầu thay cầu kinh phí để xây dựng cầu lớn vậy, việc “ nghiên cứu lựa chọn giải pháp gia cường cầu Thủy Triều – Đức Phổ Quảng Ngãi’’ để trì ổn định tuổi thọ cần thiết Mục tiêu nghiên cứu đề tài - Mục tiêu đề tài nghiên cứu lựa chọn giải pháp gia cường cho cầu Thủy Triều nhằm đảm bảo an toàn cho người, phương tiện vận chuyển qua cầu Đối tƣợng nghiên cứu Cầu Thủy Triều - Huyện Đức Phổ – Tỉnh Quảng Ngãi Phạm vi nghiên cứu Đề tài tập trung nghiên cứu lựa chọn để tìm giải pháp gia cường phù hợp cho cầu Thủy Triều – Huyện Đức Phổ - Tỉnh Quảng Ngãi có phương tiện số lượng người tham gia giao thông ngày tăng Phƣơng pháp nghiên cứu - Phương pháp nghiên cứu lý thuyết, việc tính tốn dựa mơ hình lý thuyết - Tính tốn hiệu tăng cường cầu Thủy Triều, huyện Đức Phổ Kết cấu luận văn: Luận văn gồm có chương phần kết luận kiến nghị sau: Chương 1: Đặc điểm cầu bê tơng cót thép thực trạng cầu Thủy Triều Chương 2: Lý thuyết tính tốn gia cường cầu bê tơng cốt thép Chương 3: Tính tốn gia cường kết cấu nhịp cho cầu Thủy Triều Phần kết luận kiến nghị CHƢƠNG 1: CẤU TẠO CỦA CẦU BÊ TÔNG CỐT THÉP VÀ THỰC TRẠNG CỦA CẦU THỦY TRİỀU Cấu tạo cầu bêtông cốt thép 1.1 Các phận cầu BTCT - Mố cầu - Trụ cầu - Kết cấu nhịp - Mơ đất hình nón - Gối cầu - Móng cầu 1.2 Phân loại cầu BTCT - Cầu dầm đơn giản - Cầu dầm mút thừa - Cầu dầm liên tục - Cầu khung 1.3 Một số dạng hƣ hỏng thƣờng gặp cầu bêtông cốt thép 1.3.1 Phần mặt cầu - Bong lớp nhựa phủ mặt - Lớp bê tông tạo dốc - Nứt dọc mặt cầu - Nứt ngang mặt cầu 1.3.2 Các dạng hư hỏng kết cấu dầm chủ BTCT thường DƯL - Hư hỏng dịch chuyển vị trí - Hư hỏng phong hóa bê tơng - Hiện tượng mỏi thép - Nứt vỡ bê tông cánh dầm vị trí đầu dầm - Trƣờng hợp bị bong tróc hƣ hỏng khác 1.4 Thực trạng cầu Thủy Triều - Quy mô: Cầu bê tông cốt thép vĩnh cữu - Tải trọng: 0,65HL93 - Chiều dài tồn cầu L=58,8m (tính đến mố) - Khổ cầu: B = 5,5+2x0,25 = 6,00 m - Tần suất thiết kế cầu P=4% - Cầu gồm nhịp 24,7m + Dầm BTCT: Tận dụng dầm BTCT DƯL cũ dài 24,7m + Mặt cắt ngang gồm dầm chủ, tiết diện chữ T, cự ly dầm chủ 1,0m + Kết cấu hai mố, trụ: Bằng BTCT 1.5 Các biện pháp gia cƣờng cầu bêtông cốt thép khả ứng dụng vào cầu Thủy Triều 1.5.1 Bao bọc chỗ hư hỏng lớp bêtông BTCT 1.5.2 Sử dụng công nghệ dán thép 1.5.3 Phương pháp bổ sung dự ứng lực 1.5.4 Công nghệ dán chất dẻo sợi cacbon CHƢƠNG 2: LÝ THUYẾT TÍNH TỐN GİA CƢỜNG CẦU BÊ TƠNG CỐT THÉP Lý thuyết tính tốn gia cƣờng cầu bê tơng cốt thép 2.1 Tính tốn gia cường dán thép 2.Tính tốn gia cường gia cường sợi carbon - Xác định sức kháng uốn f    Hàm thứ hàm parabol c '  c   c  kéo dài đến fc 0  0  ' ứng suất nén lớn f c Hàm thứ hai tuyến tính f   k ( c   ) giảm dần từ ứng ứng suất nén lớn f c' đến ' fc điểm biến dạng lớn c=0.003 Giá trị f c dựa vào phương trình đường cong     2  c   c   Trường hợp :   c    f c f 2       Lực nén BT C c đặt trọng tâm vùng nén ' c Mô men tĩnh diện tích A trục ứng suất theo cơng thức sau: S0  A CC (2-22) Trong A diện tích nằm đường cong ứng suất biến dạng,  CC biến dạng trọng tâm diện tích:  CC  1    C Lấy tích phân hệ số trọng tâm  trường hợp   c   (2-27) Khi    c  0.003  ta kết sau: Tổng lực nén tổng lực kéo ta có phương trình sau: Ta có: - Xác định sức kháng cắt Khi dầm tăng cường sức kháng cắt CFRP sức kháng cắt riêng sợi V f Sức kháng cắt tổng cộng BT, CT, Tấm sợi là: Vd  Vc  Vs  V f Trong : Vs , Vc V f sức kháng cắt CT đai, sức kháng cắt BT, sức kháng cắt sợi V f phụ thuộc vào nhiều tham số độ cứng sợi, chiều dày sợi hướng sợi Triantafillou (1998) đề nghị cơng thức tính V f nhƣ sau Vf  A fv E f  fe sin   cos  d fv sf Trong đó: - A fv , E f ,  fe : Là diện tích sợi, mô đun đàn hồi sợi, biến dạng có hiệu sợi -  , s f : Là góc nghiêng sợi so với phương nằm ngang, khoảng cách cốt đai - Xác định nội lực theo trạng thái giới hạn Trong phạm vi toán để thuận lợi cho việc tính tốn so sánh xét đến nội lực lớn mặt cắt dầm a Mô men nhịp tĩnh tải gây M1 = η  1DC   DW  M   b Mô men nhịp hoạt tải gây c Lực cắt gối tĩnh tải gây V1 =  1DC   DW  d Lực cắt gối hoạt tải gây V2=   g PL  PL      m.g HL  Pi  yi 1  IM     m.g HL  9.3   (2.4) e Tính tốn cốt thép chịu mơ men Có thể tính gần cơng thức sau :  Apsg   Mu 0.85 f pu 0.9.H Trong : + fpu : cường độ chịu kéo tiêu chuẩn +H: Chiều cao dầm - Kiểm toán kiểm tra khả chịu lực kết cấu cầu BTCT a Một số hình thức phá hoại uốn dầm BTCT tăng cường sợi CFRP * Hệ số sức kháng Đối với dầm BTCT tăng cường sợi CFRP để tính tốn khả chịu uốn phải xác định hệ số  BT, cốt thép Theo tiêu chuẩn ACI 318 qui định hệ số sức kháng BT  = 0.6, hệ số sức kháng CT  = 0.85 Hệ số số sức kháng sợi  = 0.75 * Khối ứng suất chữ nhật tương đương Theo phương pháp khối ứng suất chữ nhật qui định Điều 5.7.2.2 22 TCN 272-05 Từ đó, ta tóm tắt nội dung Điều 5.7.2.2 biểu thức sau: - Ứng suất chịu nén phân bố BT 0.85 f c' - Chiều cao khối ứng suất hình chữ nhật a  1c Trong 1 =0.85 f c'  28MPa 0.65  1  0.85  0.05 f c'  4000  0.85 1000 (2-35) Tính 1 sử dụng công thức (2-34) (2-35) * Dầm BTCT thường có tiết diện chữ nhật có cốt thép chịu kéo Theo hình 2.4 ta có:  c   ci   cl , (2-36)  s   si   sl (2-37) Trong : +  c ,  s : Là biến dạng BT, biến dạng CT chịu kéo +  ci ,  si : Là biến dạng ban đầu BT CT trước tăng cường +  cl ,  sl : Là biến dạng BT CT tải trọng gây sau tăng cường Biến dạng ban đầu  bi thớ BT đáy dầm trước tăng cường :   ci   si  h   ci  d   bi   (2-39) Lực nén BT Cc  0,85 f ab ' c (2-40) * Lực kéo CT: Có hai trường hợp sau - Khi Ts  s f s As s   y , (2-41) - Khi  s   y Ts  s f y As * Lực kéo FRP: Có hai trường hợp sau (2-42) - Khi  frp   frpu , Trong : c , s ,  frp : Là hệ số sức kháng BT, CT Tấm sợi * Hình thức phá hoại BT bị nén vỡ: Trường hợp dầm tăng cường sợi FRP bị phá hỏng BT bị nén vỡ:  c   cu  0.003 ,  frpl   frpu Ứng suất - biến dạng trường hợp dầm bị phá hoại BT nén vỡ Giả thiết cốt thép bị chảy dẻo Phương trình cân bằng: * Hình thức phá hoại đồng thời: Trường hợp dầm tăng cường sợi FRP bị phá hoại đồng thời Từ công thức 2-45 đến công thức 2-63 trình bày trên, ta tóm tắt tạo thành sơ đồ khối sau * Dầm BTCT thường có tiết diện chữ T Tìm vị trí trục trung hòa Khi c>hf trục trung hòa qua sườn dầm, tính tốn với tiết diện chữ T Ta thiết lập sơ đồ khối sau: Dầm BTCT mặt cắt chữ T xác định hình mơ hình phá hoại dầm tương tự mặtcắt chữ nhật * Dầm BTCT DUL tiết diện chữ T Trình tự tính tốn tăng cường sức kháng uốn cho dầm BTCT DUL tăng cường sợi FRP, theo ACI 318 có bước sau: Bƣớc 1: Tính biến dạng có hiệu sợi thời điểm phá hoại  fe , từ số liệu số lớp, chiều dày t f , mô đun đàn hồi E f Bƣớc 2: Giả thiết phá hoại xảy đồng thời BT sợi Biến dạng BT thời điểm phá hoại 0.003, biến dạng sợi thời điểm phá hoại  fe : Theo đề nghị Prestressed Concrete Institute (1999) Biến dạng thép DUL thời điểm phá hoại: (2-76) Ứng suất thép DUL: f ps  E ps ps  ps  0.008 (2-77)  ps  0.008 (2-78) Tp  Aps f ps Lực kéo thép DUL: (2-79) Cân lực kéo lực nén ta có: T  C  Cc  Cs'  Ts  T f  Tp (2-80) Nếu phương trình (2-80) dầm xảy phá hoại đồng thời Nếu C> T: Thì phá hoại xảy phá hỏng sợi tiến hành theo bước Nếu C