Nghiên cứu lựa chọn giải pháp gia cường kết cấu nhịp cầu trà khúc quảng ngãi

Chương 3: Tính toán gia cường kết cấu nhịp cầu Trà Khúc bằng hệ cáp dự ứng lực Chương 1 - TỔNG QUAN VỀ CÁC GIẢI PHÁP GIA CƯỜNG CẦU THÉP 1.1.. Hiệu quả của việc bố trí cáp dự ứng lực ng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

TRƯỜNG 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 NGUYỄN VĂN MỸ

Luận văn đã được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật Xây dựng công trình Giao thông họp tại

Trường Đại học Bách khoa vào ngày 28 tháng 07 năm 2018

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

− Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng tại Trường Đại học Bách khoa

− Thư viện Khoa Xây dựng, Trường Đại học Bách khoa – ĐHĐN

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Hiện nay ở nước ta còn sử dụng và khai thác rất nhiều cầu cũ, cùng với việc những cây cầu mới đã và đang xây dựng, những chiếc cầu cũ vẫn đang được sử dụng song song Việc cầu cũ xuống cấp và còn nhiều hạn chế trong việc sử dụng và khai thác, có thể chỉ ra những nguyên nhân như sau: Công trình được xây dựng từ rất lâu (trước 1975), quy mô nhỏ, cường độ vận tải thấp, chiến tranh tàn phá, công tác duy tu, bảo dưỡng, vận hành khai thác chưa được chú trọng Liên hệ tại địa phương, Cầu Trà Khúc nằm tại lý trình Km1055+464 (QL1A) được xây dựng từ năm 1963, có chiều dài 643m, cầu gồm 20 nhịp (mỗi nhịp dài 31,60) Cầu đóng vai trò quan trọng trong việc giao thông thông suốt trên địa bàn thành phố Quảng Ngãi Qua thời gian sử dụng, với mật độ và lưu lượng xe tăng nhanh, các đợt mưa lũ kéo dài trong những năm gần đây làm cho cầu ngày càng xuống cấp Những năm vừa qua, bằng các nguồn vốn khác nhau, nhà nước đã đầu tư sửa chữa nhỏ các phần hạ bộ và một số kết cấu trên cầu nhưng

vì nguồn vốn hạn chế nên chưa có điều kiện tu sửa toàn bộ kết cấu nhịp cầu

Do đó, việc “Nghiên cứu lựa chọn giải pháp gia cường kết cấu nhịp cầu Trà Khúc Quảng Ngãi” là hết sức cần thiết, góp phần tạo giao thông thuận lợi cho người và phương tiện qua lại trên cầu

2 Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu gia cường cầu dầm thép nhằm nâng cao khả năng

khai thác của cầu hiện hữu với tải trong lớn hơn

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng hệ dự ứng lực để tăng cường khả năng chịu lực cho kết cấu dầm thép

4 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu được đề xuất là phương pháp lý thuyết, ứng dụng tính toán nội lực trên cầu dưới tác dụng của tải

trọng tương lai lớn hơn, so sánh với biểu đồ bao vật liệu Từ đó ta sẽ

tính toán gia cường thêm để cầu đủ khả năng chịu lực

Chương 3: Tính toán gia cường kết cấu nhịp cầu Trà Khúc bằng hệ cáp dự ứng lực

Chương 1 - TỔNG QUAN VỀ CÁC GIẢI PHÁP GIA CƯỜNG

CẦU THÉP 1.1 Cơ sở gia cường công trình cầu

1.1.1 Công tác thu thập số liệu

1.1.2 Điều tra đánh giá hiện trạng và hư hỏng của các công trình cầu 1.1.3 Kiểm toán cầu

1.1.4 Xác định bộ phận cần tăng cường và chọn giải pháp tăng cường

1.2 Các biện pháp gia cường cầu

1.2.1 Biện pháp làm giảm tỉnh tải

1.2.2 Tăng cường bằng thanh căng hoặc tăng đơ

1.2.3 Tăng cường bằng trụ tạm

1.2.4 Giải pháp bổ sung kết cấu

1.2.5 Giải pháp căng cáp dự ứng lực ngoài

1.2.5.1 Tổng quan

1.2.5.2 Cách bố trí cáp dự ứng lực ngoài

Thường chúng ta có hai cách bố trí cáp ngoài dọc cầu, như sau:

- Bố trí theo tuyến cáp thẳng:

B 3

B

2

1-Dầm thép; 2-Vấu neo cáp DUL ngoài; 3-Cáp DUL ngoài

Hình 1.7 Tăng cường dầm cầu thép bằng cáp DUL ngoài tuyến cáp thẳng

- Bố trí theo tuyến cáp gẫy khúc:

2

C

2 1

4 2

1-Dầm thép; 2-Vấu neo cáp DUL ngoài; 3-Cáp DUL ngoài; 4-Vấu

chuyển hướng

Hình 1.8 Tăng cường dầm cầu thép bằng DUL ngoài tuyến cáp

gẫy khúc 1.2.5.3 Hiệu quả của việc bố trí cáp dự ứng lực ngoài

a/ Tăng cường dầm thép bằng cáp DƯL căng ngoài theo sơ đồ tuyến cáp căng thẳng:

b/ Tăng cường dầm thép bằng cáp DƯL căng ngoài theo sơ đồ tuyến cáp căng gãy khúc:

Trường hợp 2 vị trí chuyển hướng

Hình 1.11 Biểu đồ Momen trên dầm khi chưa căng cáp

Hình 1.12 Biểu đồ Momen trên dầm do lực căng cáp gây ra

Hình 1.13 Biểu đồ Momen trên dầm sau khi căng cáp

1.5 Phân tích đề xuất biện pháp gia cường

1.6 Kết luận chương

- Trong chương 1 giới thiệu, phân tích ưu nhược điểm, phạm vi

áp dụng, công nghệ thi công của các biện pháp gia cường cầu thép Phân tích đề xuất và chọn biện pháp gia cường kết cấu nhịp cầu Trà Khúc

- Trong chương 2 tiếp theo sẽ nêu hiện trạng và nghiên cứu lý thuyết tính toán gia cường kết cấu nhịp cầu Trà Khúc theo phương pháp bổ sung cáp dự ứng lực ngoài

Chương 2 - HIỆN TRẠNG VÀ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN GIA

CƯỜNG CẦU TRÀ KHÚC 2.1 Hiện trạng cầu Trà Khúc

Cầu Trà Khúc nằm tài lý trình Km1055+464, Quốc lộ 1A, tỉnh Quảng Ngãi Cầu được xây dựng năm 1965 và đưa vào khai thác năm

1966 Các thông số cơ bản cầu được đề cập dưới đây:

Hình 2.1 Cầu Trà Khúc - Quảng Ngãi

- Chiều dài toàn cầu: 643,0 (m)

- Sơ đồ kết cấu cầu: Cầu dầm thép giản đơn không liên hợp với bản bê tông cốt thép, 20 nhịp 31,6 (m)

- Khổ cầu: K = 7,5 + 2*0,5 (m)

- Bề rộng toàn cầu: B = 7,5 + 2*0,5 + 2*0,25 = 8,9 (m)

- Tải trọng khai thác: 25T

2.1.1 Kết cấu phần trên: Sơ đồ kết cấu cầu dầm giản đơn; Dầm chủ

là thép đặc chữ I; Chiều dài nhịp 31,60 (m); 4 dầm chủ; Khoảng cách dầm là 2,15 (m); Chiều cao dầm chủ: ddc = 1220 (mm); Dạng dầm ngang sử dụng hệ khung chữ X và K ngược, dùng thép L100*100*10 (mm)

+ Các lớp mặt cầu: Lớp Bê tông nhựa dày 7cm; lớp phòng nước dày 0,5cm; lớp bản mặt cầu bằng BTCT dày 15cm Vật liệu đường bộ hành: Bê tông xi măng Vật liệu lan can tay vịn: Thép mạ kẽm

2.1.2 Kết cấu phần dưới

2.1.3 Phân tích đánh giá hiện trạng hư hỏng, sự cần thiết phải gia cường

2.2 Lý thuyết tính toán gia cường cầu thép bằng cáp DƯL ngoài

2.2.1 Giả thiết tính toán

2.2.2 Tính toán đối với cáp DƯL ngoài bố trí tăng cường dọc cầu

a Tính momen do cáp DƯL căng ngoài

Q P

P N

Hình 2.11 Biểu đồ mô men uốn do cáp DƯL căng ngoài gây ra cho dầm

b Xác định diện tích cốt thép cần tăng cường

Mô men tối thiểu do DƯL căng ngoài cần được tăng cường để dầm đảm bảo về mặt cường độ tại mặt cắt chịu mô men uốn lớn nhất

MDƯL = Mmax - Mn

Trong đó:

Mmax - mô men do hoạt tải và tĩnh tải gây ra tại mặt cắt có mô men uốn lớn nhất

Mn - Sức kháng uốn danh định của mặt cắt

Sau khi có được MDƯL, tiến hành xác định được lực căng P dựa theo việc bố trí cáp dự ứng ngoài cách trục trung hòa của dầm chủ một đoạn lệch tâm e

Diện tích cốt thép dự ứng lực có thể được xác định theo công thức sau:

Aps ≥ P/( *0,85fpu) Trong đó:

Aps - Diện tích cốt thép DƯL căng ngoài

 - Hệ số sức kháng lấy theo điều 5.5.4.2, Quy trình 22TCN 272 – 05

fpu - Cường độ giới hạn chịu kéo của cáp DƯL

2.2.3 Kiểm toán mặt cắt theo trạng thái giới hạn cường độ I

a Kiểm toán sức kháng uốn

Sức kháng uốn danh định được xác định như sau:

M =P * y

Trong đó:

Pi – lực dẻo của các phân tố tiết diện

yi – khoảng cách từ trọng tâm phân tố tiết diện tính toán đến vị trí trục trung hòa của dầm chủ

Công thức kiểm tra sức kháng uốn của tiết diện:

2.2.4 Kiểm toán mặt cắt theo trạng thái giới hạn sử dụng II

Tính toán các ứng suất ở thớ trên và thớ dưới (nén là âm, kéo là dương)

Ứng suất bản biên của tiết diện liên hợp: f f 0,95R F h yf

Với ff = MSD/SNC

2.3 Kết luận chương

Chương 2 đã trình bày các biện pháp và lý thuyết tính toán nhằm nâng cấp khả năng chịu tải cho công trình cầu Để nâng cấp khả năng chịu tải của cầu có thể áp dụng một trong các biện pháp trên, hoặc sử dụng kết hợp các biện pháp gia cường với nhau, để đạt hiệu quả gia cường tốt nhất

Chương 2 là cơ sở để áp dụng tính toán gia cường cho cầu Trà Khúc chịu tác dụng của tải trọng HL93 Vấn đề này sẽ được nghiên cứu kỹ và phân tích tính toán trong Chương 3

Chương 3 - TÍNH TOÁN GIA CƯỜNG KẾT CẤU NHỊP CẦU TRÀ KHÚC BẰNG HỆ CÁP DỰ ỨNG LỰC CĂNG NGOÀI 3.1 Số liệu cơ bản

Chiều dài nhịp (L1):31,6m; Chiều dài nhịp tính toán (Ltt): 31,0m; Khổ cầu: K = 7,5 + 2*0,5 (m); Tải trọng: HL93 và đoàn người PL=3kN/m2

Chiều dày đinh tán xuyên qua bản biên 1 44 mm

Chiều dày đinh tán xuyên qua vách 2 2 68 mm

Khoảng cách từ tim đinh tán 1 xuyên qua

vách đến mép trên bản biên y1 66 mm Khoảng cách từ tim đinh tán 2 xuyên qua

vách đến mép trên bản biên y2 141 Mm

Vị trí trục trung hòa của dầm chủ y 610 mm

3.2 Tính đặc trưng hình học: Từ kích thước hình học được xác

định như bảng 3.1 đối với tiết diện quy đổi, ta tính toán các đặc trưng hình hình học của dầm thép

Chiều dày bản mặt cầu ts 15 cm

Hệ số chuyển đổi Bê tông sang thép n 8

Khoảng cách từ trọng tâm của dầm cơ bản

Tham số độ cứng dọc K g 1, 24E+11 mm4

Sử dụng phương pháp AASHTO, kết quả hệ số phân bố ngang

mô men và lực cắt cho dầm giữa được ghi trong bảng 3.4

3.3.2 Hệ số phân bố ngang của momen của dầm trong và dầm biên:

Bảng 3.4 Hệ số phân bố ngang cho dầm

Hệ số phân bố ngang cho dầm mgM

Tiến hành lựa chọn dầm biên đi tính toán thiết kế

3.4 Tính toán hiệu ứng tải trọng

Bảng 3.6 Tổng hợp các tải trọng tác dụng lên dầm

Tĩnh tải Hoạt tải Hệ số phân bố ngang DC1 DC2 DC3 DW LL PL mgM

b/ Lực cắt

Bảng 3.8 Lực cắt không có hệ số của dầm trong do tĩnh tải gây ra (kN)

Vị trí x L−x + −   VDC1 V DW VDC3 VDC2

Gối 0 31 15,5 0 15,5 85,576 76,896 7,7655 144,153 1/8L 3,875 27,125 11,867 -0,242 11,625 64,182 57,672 5,824125 108,115 1/4L 7,75 23,25 8,719 -0,969 7,75 42,788 38,448 3,88275 72,077 3/8L 11,625 19,375 6,055 -2,18 3,875 21,394 19,224 1,941375 36,038 1/2L 15,5 15,5 3,875 -3,875 0 0 0 0 0

3.4.4 Tính toán nội lực do hoạt tải

Nội lực do hoạt tải gây ra trong dầm được xác định theo công thức sau:

 i LL LL 1 i i L i p p 

U=   mg  +IM P y +p  +   g PL

3.4.4.1 Momen do hoạt tải không có hệ số

Bảng 3.9 Giá trị momen không có hệ số do hoạt tải gây ra (kN.m)

Vị trí x L−x  MTruck M Tandem MLL MPL

1/8L 3,875 27,125 52,555 986,391 729,438 488,759 157,664 1/4L 7,75 23,25 90,094 1657,938 1245,75 837,872 270,281 3/8L 11,625 19,375 112,617 2033,453 1548,938 1047,34 337,852 1/2L 15,5 15,5 120,125 2131,75 1639 1117,163 360,375

3.4.4.2 Lực cắt do hoạt tải gây ra

Để tính toán lực cắt do hoạt tải gây ra, xe tải thiết kế và xe hai trục được xếp lên đường ảnh hưởng sao cho gây ra nội lực bất lợi nhất như hình 6.5, tung độ đường ảnh hưởng được tính toán và kết quả ghi trong bảng 3.10

1

Hình 3.9 Đường ảnh hưởng lực cắt tại tiết diện bất kỳ

Bảng 3.11 Giá trị lực cắt không có hệ số do hoạt tải gây ra (kN)

Vị trí x L−x +

Truck

Gối 0 31 15,5 295,177 215,742 144,15 46,5 1/8L 3,875 27,125 11,867 254,552 188,242 110,363 35,601

1/4L 7,75 23,25 8,719 213,927 160,742 81,087 26,157 3/8L 11,625 19,375 6,055 173,302 133,242 56,312 18,165 1/2L 15,5 15,5 3,875 132,677 105,742 36,038 11,625

3.4.5 Tổng nội lực do hoạt tải và tĩnh tải

Bảng 3.12 Tổng hợp nội lực trong dầm chủ

7Ltt/8 6Ltt/4

Hình 3.11 Biểu đồ bao mô men theo THGHSD II

3.5 Sức kháng của tiết diện

3.5.1 Momen chảy

Đối với tiết diện không liên hợp, các mô men kháng uốn bằng nhau và bằng SNCvì tiết diện dầm thép đối xứng theo hai phương Khi đó mô men chảy được xác định theo công thức sau:

Bảng 3.13 Tính toán mô men chảy của tiết diện không liên hợp

Cường độ chảy của thép F y 190 Mpa

3.5.3 Mô men dẻo của tiết diện không liên hợp

Mô men dẻo của tiết diện không liên hợp được tính toán như hình vẽ sau Ngoài ra, sức kháng được triết giảm 5-7% do tiết diện dầm chủ bị gỉ

1220/2 1132/2

68 20

.

Pi - lực dẻo trong các phân tố tiết diện chưa xét giảm yếu

yi - khoảng cách từ lực dẻo của các phân tố tiết diện đển trục trung hòa dẻo PNA

Pdi - lực dẻo bị giảm yếu bởi các lỗ đinh tán liên kết

ydi - khoảng cách từ trọng tâm của tiết diện bị giảm yếu bởi đinh tán đển trục trung hòa dẻo PNA

Ai - diện tích của các phân tố tiết diện

Fy - giới hạn chảy của thép

Adi - diện tích bị giảm yếu bởi các lỗ đinh tán

Fdi - giới hạn chảy của đinh tán

Bảng 3.14 Lực dẻo của tiết diện không liên hợp

Bộ phận

Kích thước

Bảng 3.15 Mô men dẻo của tiết diện không liên hợp

3.6.1 Kiểm toán dầm chủ theo TTGHCĐ1

Kiểm tra sức kháng uốn tại các mặt cắt theo công thức: Mu Mr

Bảng 3.16 Bảng kiểm tra sức kháng uốn trên dầm

Theo kết quả ở bảng 3.14 kết luận dầm chủ không đảm bảo khả năng chịu lực với hoạt tải HL93

3.6.2 Kiểm toán dầm chủ theo TTGHSD

Ứng suất f trong dầm thép của kết cấu dầm không liên hợp

được xác định theo công thức sau: =  y

S - mô men kháng uốn của tiết diện dầm thép

Bảng 3.17 Bảng kiểm tra ứng suất trong dầm chủ

Ứng suất thiếu (MPa)

1/8L 2860,75 25409354,19 112,586 250 Đạt - 1/4L 4870,44 25409354,19 191,679 250 Đạt - 3/8L 6048,29 25409354,19 238,034 250 Đạt -

1/2L 6413,47 25409354,19

252,406

250 Không

đạt -2,406 Theo kết quả ở bảng 3.15 kết luận dầm chủ không đảm bảo khả năng chịu lực với hoạt tải HL93

3.7 Thiết kế gia cường dầm chủ bằng cáp DƯL ngoài

3.7.1 Tính toán bố trí cáp DƯL

Sau khi kiểm tra, thấy rằng dầm chủ không đủ khả năng chịu lực với hoạt tải HL93

Với M=M −M =7390,09 8147,11− = −1126,523 (kN.m)

Vì vậy cần phải đi bố trí cáp dự ứng ngoài nhằm mục đích làm giảm đi giá trị nội lực trong dầm chủ và giá trị mô men cần đạt được là Mps =P * es  M

Cáp DUL ngoài được căng mỗi dầm 4 tao đối xứng nhau qua tim dầm Tao cáp 15,24 mm, 1 tao 7 sợi theo tiêu chuẩn ASTM A416/ASTM A416M-06

3 6 2



Vậy chọn e=1,35m

Chọn sơ đồ bố trí cáp dự ứng lực ngoài là xiên, vị trí neo được

bố trí cách đầu dầm 2m, vị trí ụ chuyển hướng được bố trí cách neo 8,8m Sơ đồ bố trí như sau:

Góc cáp chuyển hướng: α = 40, cosα = 0,99756

Mô men trên dầm tại các vị trí được tính như sau:

Hình 3.15 Biểu đồ bao mô men trong dầm chủ sau khi căng cáp dự

ứng lực – TTGHCĐ1 Bảng 3.20 Mô men trước và sau gia cường – TTGHSD II

Thời điểm Trước gia cường Sau gia cường

Bảng 3.21 Bảng kiểm tra sức kháng uốn trên dầm sau khi gia cường

3.7.3 Kiểm toán dầm chủ theo TTGHSD II sau khi gia cường

Bảng 3.22 Bảng kiểm tra ứng suất trong dầm chủ sau khi gia cường

3.8 Kết Luận chương

Trong chương 3, cầu Trà Khúc đã được kiểm toán khả năng chịu lực đổi với hoạt tải HL93 Tuy nhiên, qua kết quả tính toán đánh

giá theo sức kháng uốn thì cầu Trà Khúc không đảm bảo năng lực chịu tải đổi với HL93 Vì vậy việc gia cường theo phương pháp sử dụng cáp dự ứng lực căng ngoài đã được áp dụng

Số lượng cáp dự ứng lực được bố trí là 4 tao 15,2mm đối xứng qua tim dầm Neo cáp được bố trí cách đầu dầm 2m, vị trí ụ chuyển hướng cách neo 8,8m Lực căng cáp dự ứng được xem như một tải trọng tác dụng lên dầm chủ, gây ra giá trị nội lực trái dấu với giá trị nội lực do hoạt tải gây ra nhằm làm giảm giá trị nội lực trong dầm chủ Việc tính toán kiểm tra dầm chủ sau khi gia cường theo TTGHCĐ1 và TTGHSD II cho thấy rằng dầm chủ đảm bảo khả năng chịu tải HL93 sau khi gia cường bằng cáp dự ứng lực ngoài

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận

Luận văn đã tiến hành nghiên cứu nhiều biện pháp gia cường khác nhau cho kết cấu nhịp cầu Trà Khúc và sau khi phân tích các biện pháp này thì áp dụng cáp dự ứng lực ngoài nhằm nâng cao khả năng chịu tải hiện tại cầu Trà Khúc là hợp lý để đủ đảm bảo khả năng khai thác với hoạt tải HL93

Các kết quả chính đạt được của luận văn bao gồm:

- Nghiên cứu các biện pháp gia cường cho cầu thép và ứng dụng biện pháp gia cường kết cấu nhịp cầu Trà Khúc bằng hệ cáp DUL căng ngoài

- Qua tính toán phân tích kết cấu cầu Trà Khúc, nhận định để cầu Trà Khúc khai thác được với hoạt tải HL93 thì cần phải gia cường nhằm nâng cao khả năng chịu tải của cầu

- Sau khi gia cường kết cấu nhịp cầu Trà Khúc bằng hệ cáp dự ứng lực căng ngoài với 4 tao cáp bố trí đối xứng qua tim dầm Qua quá trình kiểm toán theo TTGHCĐ1 và TTGHSD II kết cấu cầu Trà Khúc đảm bảo khả năng chịu lực đối với hoạt tải HL93