Ảnh hưởng của ăn mòn dầm thép đến khả năng chịu lực của cầu thép – bê tông cốt thép liên hợp giản đơn dưới tác dụng của hoạt tải xe

Nghiên cứu này được thực hiện nhằm làm rõ vấn đề trên thông qua việc phân tích mô hình phần tử hữu hạn của cầu bằng phần mềm MIDAS/Civil 2011. Kết quả thu được có thể được sử dụng để dự đoán được xu hướng và mức độ suy giảm khả năng chịu lực của dầm thép dưới tác dụng của ăn mòn, từ đó đề ra các biện pháp duy tu, bảo dưỡng nâng cao tuổi thọ của công trình cầu thép.

Hồ Sĩ Vị Ảnh hưởng ăn mòn dầm thép đến khả chịu lực cầu thép ẢNH HƢỞNG CỦA ĂN MÒN DẦM THÉP ĐẾN KHẢ NĂNG CHỊU LỰC CỦA CẦU THÉP – BÊ TÔNG CỐT THÉP LIÊN HỢP GIẢN ĐƠN DƢỚI TÁC DỤNG CỦA HOẠT TẢI XE Hồ Sĩ Vị(1), Nguyễn Danh Thắng(1), Hồ Thu Hiền(1) (1) Trường Đại học Bách Khoa (VU-HCM) Ngày nhận 29/12/2016; Chấp nhận đăng 29/01/2017; Email: ndthang@hcmut.edu.vn Tóm tắt Hiện nhiều cầu thép xây dựng Việt Nam nhằm đáp ứng nhu cầu vận tải ngày tăng cao Trong số đó, khơng cầu nằm vùng ven biển chịu ăn mòn mãnh liệt tác dụng môi trường, nhiệt độ… Chính vậy, việc nghiên cứu ảnh hưởng ăn mòn dầm thép đến khả chịu lực cầu thép vô quan trọng cấp bách nhằm mục đích đánh giá tác động việc suy giảm tiết diện dầm ăn mòn đến khả làm việc cầu Nghiên cứu thực nhằm làm rõ vấn đề thông qua việc phân tích mơ hình phần tử hữu hạn cầu phần mềm MIDAS/Civil 2011 Kết thu được sử dụng để dự đoán xu hướng mức độ suy giảm khả chịu lực dầm thép tác dụng ăn mòn, từ đề biện pháp tu, bảo dưỡng nâng cao tuổi thọ cơng trình cầu thép Từ khóa: ăn mòn, dầm thép, chịu lực, tiết diện, hoạt tải Abstract EFFECTS OF CORROSION OF STEEL GIRDER ON BEARING CAPACITY OF COMPOSITE STEEL BRIDGE UNDER VEHICLES LOADING Currently a lot of steel bridges have been built in Vietnam in order to meet transport demand increasing Among them, many bridges are located in coastal area where subject to intensive corrosion under the influence of the environment, temperature, Therefore, the study of influence of corrosion of steel girder to the bearing capacity of these bridges is extremely important and urgent to assess the health of these bridges This study was conducted to solve this problem through the finite element model of the bridge by MIDAS/Civil 2011 software The results can be used to predict the trend and deterioration level of bearing capacity of corrosive steel girder, and propose some solutions for bridge’s maintenance Giới thiệu Với ưu điểm như: tối đa hóa tiến độ thi cơng, có độ cứng lớn, độ bền cao, trọng lượng thân nhẹ, độ võng nhỏ, khả vượt nhịp lớn, kết cấu thép sử dụng rộng rãi ngành xây dựng nói chung cơng trình cầu nói riêng Vật liệu thép lại có nhược điểm lớn dễ bị ăn mòn, phá hủy tác động môi trường, nhiệt độ… làm giảm tuổi thọ cơng trình (hình 1) Đã có số nghiên cứu ngồi nước nhằm đánh giá tác động ăn mòn lên loại kết cấu thép nói chung như: ăn mòn cốt thép ảnh hưởng tới 26 Tạp chí Khoa học Đại học Thủ Dầu Một Số 1(32)-2017 ứng xử kết cấu bê tông cốt thép [1], mô hình hóa q trình ăn mòn cốt thép bê tơng kết cấu nhịp cầu [2], ăn mòn phá hủy vật liệu kim loại mơi trường khí nhiệt đới Việt Nam [3]… Tuy nhiên nghiên cứu tác động ăn mòn cầu dầm thép liên hợp bê tông cốt thép chưa coi trọng mức Ăn mòn kim loại tượng phá hủy bề mặt vật liệu kim loại tác dụng hóa học tác dụng điện hóa kim loại với mơi trường bên Bản chất kim loại, kết hợp nhiệt độ độ ẩm môi trường, mức độ ô nhiễm khơng khí hàm lượng muối khí yếu tố định đến tốc độ ăn mòn kim loại Việt Nam nằm khu vực khí hậu nhiệt đới gió mùa, mưa nhiều giáp biển làm q trình ăn mòn diễn nhanh Vì việc nghiên cứu tác động ăn mòn đến kết cấu thép cần thiết cấp bách để đảm bảo lưu thơng an tồn cho phương tiện giao thơng vận tải Hình Dầm chủ Cầu Long Biên (Hà Nội) bị hư hỏng ăn mòn Cơ sở lý thuyết 2.1 Ứng suất dầm chịu uốn Ứng suất dầm cầu thép liên hợp bê tông cốt thép xác định gồm [4]: - Ứng suất tiếp điểm cách trục trung hòa đoạn x xác định theo công thức: Q y S xc (1)  zy  I xbc Trong đó: Q y : Lực cắt tiết diện tính ứng suất (kN); S xc : Diện tích tiết diện mức y mà có ứng suất pháp  zy tác động (m2); I x : Mơ men qn tính trục x (m4); b c : Bề rộng tiết diện điểm xét (m) - Ứng suất pháp dầm chịu uốn: M (2) z  x y Ix Trong đó: M x : Mơ men uốn theo phương dọc cầu (kN.m); I x : Mô men quán tính trục x (m4); y : Khoảng cách từ trục trung hòa đến điểm tính ứng suất - Ứng suất cực đại dầm (theo thuyết bền ứng suất tiếp cực đại): f f   z2  4 zy2 (3) Đối với mặt cắt liên hợp thép – bê tông cốt thép, dầm cầu xem đủ khả chịu lực [5]: 27 Hồ Sĩ Vị Ảnh hưởng ăn mòn dầm thép đến khả chịu lực cầu thép f f  0.95Rb Rh Fyf (4) Trong đó: f f : Ứng suất cánh tải trọng khai thác gây (MPa); Rb : Hệ số truyền tải trọng, với Rb=1 [5]; Rh : Hệ số lai, với Rh=1 [5]; Fyf : Cường độ chảy nhỏ quy định cánh (MPa) Khi ngoại lực tác dụng không đổi, theo (1) (2) ứng suất dầm tăng, tiếp tục bị suy giảm tiết diện đến thời điểm đó, ứng suất lớn dầm f f vượt giới hạn cho phép, bất phương trình (4) khơng thỏa mãn Dầm không đủ khả chịu lực 2.2 Chuyển vị dầm chịu uốn Phương trình đường đàn hồi để xác định chuyển vị dầm [4]:   M y      x dz  C dz  D (5) EI x   Độ võng dầm phải thỏa mãn điều kiện sau [5]: L (6) y   cp  800 Trong đó: y : Độ võng hoạt tải (mm); L: Chiều dài nhịp tính tốn (mm) Theo phương trình (5), ngoại lực tác dụng không đổi, tiết diện dầm bị suy giảm chuyển vị dầm tăng lên Đến thời điểm định, bất phương trình (6) khơng thỏa mãn Dầm khơng thể đáp ứng điều kiện làm việc bình thường theo tiêu chuẩn quy định (chuyển vị vượt giới hạn cho phép) Mô hình hóa tiến hành phân tích Để thuận tiện cho việc nghiên cứu, cầu Bà Tiếng (hình 2) lựa chọn để phân tích với thơng số hình Cầu Bà Tiếng có kết cấu dầm thép giản đơn liên hợp bệ tông cốt thép, xây dựng đưa vào khai thác năm 1993 Vị trí: nằm đường Hồ Ngọc Lãm (quận Bình Tân, TP Hồ Chí Minh) Khổ cầu: 4.5m + lề hành x 1m = 6.5m Chiều dài cầu: 24m gồm nhịp, kết cấu dầm thép giản đơn liên hợp bê tông cốt thép Tải trọng khai thác hữu: 13 Mặt cắt ngang cầu: dầm thép; lan can, lề hành bệ tông cốt thép đổ chỗ Kết khảo sát cho thấy q trình ăn mòn diễn cho dù dầm sơn chống gỉ Ăn mòn diễn mạnh mẽ khu vực khuất dầm, cụ thể vị trí gần mố, trụ (đoạn dầm cách mố, trụ khoảng 1 m) (hình 4) Do vị trí khuất, độ ẩm lớn, nước mưa thường xuyên đọng, thường dễ bị bỏ sót q trình kiểm tra, sữa chữa nên nên tốc độ ăn mòn vị trí thường nhanh nhiều so với vị trí khác dầm Hình Kết cấu dầm thép cầu Bà Tiếng 28 Tạp chí Khoa học Đại học Thủ Dầu Một 1000 Số 1(32)-2017 4500 950 950 950 1000 950 950 Hình Mặt cắt ngang cầu Bà Tiếng Hình Vị trí ăn mòn dầm cầu Bà Tiếng (nặng vị trí gần mố) Dựa kết khảo sát thực tế trạng, tốc độ ăn mòn dầm thép vị trí hai đầu dầm thường lớn nhiều so với dầm, trình mơ hình giả đầu dầm tất dầm bị suy giảm nhanh so với dầm (hình 4) Phần mềm MIDAS/Civil sử dụng để mơ hình hóa cầu Bà Tiếng với thơng số (hình 5): - Vật liệu thép dầm: giới hạn chảy fy=345 MPa, mô đun đàn hồi Es=2.105 MPa, trọng lượng riêng  s  78.5kN / m - Vật liệu Bê tông mặt cầu: cường độ chịu nén tuổi 28 ngày f’c=28 MPa, mô đun đàn hồi Ec=26752 MPa, trọng lượng riêng  c  24kN / m - Hệ số Posson: 0.3, hệ số giãn nở nhiệt 1,17.10-5 1/độ Cầu thiết kế theo tiêu chuẩn 22TCN 18-79 tải trọng hữu khai thác 13 T nên để phù hợp với thực tế, hoạt tải xe dùng mơ hình hóa kết cấu MIDAS/Civil ta sử dụng theo Tiêu chuẩn AASHTO-LRFD, nhiên tải trọng xe ta thay xe trục có tải trọng 13 T, khoảng cách hai trục 4m dùng cơng tác kiểm định cầu Kết phân tích 4.1 Ứng suất Dựa vào kết phân tích từ MIDAS/ Civil, diện tích tiết diện dầm bị suy giảm ăn mòn khả chịu lực dầm giảm theo ứng suất dầm tăng 29 Hồ Sĩ Vị Ảnh hưởng ăn mòn dầm thép đến khả chịu lực cầu thép lên Tuy nhiên, tiết diện suy giảm ứng suất dầm tăng khơng đáng kể Để đạt tới giới hạn ứng suất tiết diện dầm phải bị ăn mòn 71.25% (hình 6) Hình Mơ hình hóa kết cấu cầu Bà Tiếng Midas Civil 2011 71.25  Ứng suất cho phép dầm  Ứng suất dầm có mát tiết diện ăn mòn Hình Ảnh hưởng suy giảm tiết diện đến ứng suất lớn dầm 4.2 Chuyển vị Tương tự ứng suất, tiết diện dầm bị suy giảm ăn mòn chuyển vị thẳng đứng dầm tăng lên Tuy nhiên, chuyển vị lại nhanh chóng vượt qua giới hạn cho phép tiết diện dầm bị suy giảm 15.38% (hình 7) Kết luận - Kết phân tích ảnh hưởng suy giảm tiết diện ăn mòn tác dụng hoạt tải xe đến khả chịu lực dầm đánh giá chi tiết tác hại ăn mòn dầm thép Sự ăn mòn theo thời gian làm giảm khả chịu lực dầm, giảm tuổi thọ cơng trình Nếu q trình ăn mòn dầm thép diễn liên tục thời gian dài dầm khơng đủ đáp ứng điều kiện làm việc bình thường hệ kết cấu (chuyển vị đạt tới giới hạn cho phép) trước đạt đến trạng thái giới hạn cường độ (ứng suất đạt đến giá trị cho phép) - Để nâng cao tuổi thọ công trình cầu dầm thép, cần phải có kế hoạch tu sửa chữa định kì, đặc biệt cơng trình cầu cũ, đưa vào sử dụng nhiều năm Tập trung kiểm tra vị trí có tốc độ ăn mòn nhanh đầu dầm mố, trụ vị trí hay đọng nước, tụ rác thải… nhằm kịp thời phát dấu hiệu ăn mòn, 30 Tạp chí Khoa học Đại học Thủ Dầu Một Số 1(32)-2017 tiến hành biện pháp nạo, sơn chống gỉ bảo vệ kết cấu Q trình sơn cầu, vệ sinh tồn cầu phải tiến hành định kỳ, thường xuyên để hạn chế thiệt hại ăn mòn lên kết cấu cầu  Chuyển vị cho phép dầm  Chuyển vị lớn dầm có mát tiết diện Hình Ảnh hưởng suy giảm tiết diện ăn mòn đến chuyển vị lớn dầm TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Vũ Ngọc Anh (2014), Ăn mòn cốt thép ảnh hưởng tới ứng xử kết cấu bê tông cốt thép, Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội [2] Đỗ Minh Hiếu (2011), Mơ hình hóa q trình ăn mòn cốt thép bê tơng kết cấu nhịp cầu, Trường MADI – Moscow – Liên Bang Nga [3] Lê Thị Hồng Liên (2012), Ăn mòn phá hủy vật liệu kim loại mơi trường khí nhiệt đới Việt Nam, Tạp chí Khoa học Công nghệ 50(6) [4] Đỗ Kiến Quốc, Nguyễn Thị Hiền Lương, Bùi Cơng Thành, Lê Hồng Tuấn, Trần Tấn Quốc (2012), Giáo trình Sức bền vật liệu, NXB Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh [5] Bộ Giao thông Vận tải (2007), Tiêu chuẩn thiết kế cầu 272-05, NXB Giao thông Vận tải [6] Nguyễn Thành Lộc (2013), Ăn mòn bảo vệ vật liệu kim loại, Trường Đại học Bách Khoa (VNU-HCM) Nghiên cứu tài trợ Trường Đại Học Bách Khoa – Đại học Quốc Gia Thành phố Hồ Chí Minh 31 ... phân tích ảnh hưởng suy giảm tiết diện ăn mòn tác dụng hoạt tải xe đến khả chịu lực dầm đánh giá chi tiết tác hại ăn mòn dầm thép Sự ăn mòn theo thời gian làm giảm khả chịu lực dầm, giảm tuổi... đại dầm (theo thuyết bền ứng suất tiếp cực đại): f f   z2  4 zy2 (3) Đối với mặt cắt liên hợp thép – bê tông cốt thép, dầm cầu xem đủ khả chịu lực [5]: 27 Hồ Sĩ Vị Ảnh hưởng ăn mòn dầm thép. .. Chiều dài cầu: 24m gồm nhịp, kết cấu dầm thép giản đơn liên hợp bê tông cốt thép Tải trọng khai thác hữu: 13 Mặt cắt ngang cầu: dầm thép; lan can, lề hành bệ tông cốt thép đổ chỗ Kết khảo sát