Nghiên cứu sử dụng công nghệ căng cáp dự ứng lực ngoài nâng cấp cầu bắc phèn km12+550 đh16 trà vinh dựa vào kết quả thực nghiệm

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGÔ THANH ĐIỀN NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ CĂNG CÁP DỰ ỨNG LỰC NGOÀI NÂNG CẤP CẦU BẮC PHÈN KM12+550 ĐH16 TRÀ VINH DỰA VÀO KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng Cơng trình Giao thơng Mã số: 8580205 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS CAO VĂN LÂM Đà Nẵng – Năm 2019 i LỜI CẢM ƠN Với kính trọng lịng biết ơn sâu sắc, xin chân thành cảm ơn Thầy giáo hướng dẫn Tiến sĩ Cao Văn Lâm hướng dẫn tận tình đồng thời tạo điều kiện tốt để tơi nghiên cứu hồn thành khóa luận tốt nghiệp Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn đến thầy cô Khoa xây dựng cầu đường trường Đại học Bách Khoa – Đại học Đà Nẵng giúp đỡ cho tơi ý kiến đóng góp q báu nhiệt tình giúp đỡ tơi q trình thực luận văn Trong trình thực hiện, nhiều nguyên nhân khác nên đề tài khó tránh khỏi thiếu sót Tơi mong đóng góp ý kiến quý Thầy Cô để đề tài hồn thiện Cuối cùng, tơi xin kính chúc q Thầy Cô mạnh khỏe Trà Vinh, ngày 05 tháng 12 năm 2019 Học viên thực Ngô Thanh Điền ii LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan công trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Học viên thực Ngô Thanh Điền iii NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ CĂNG CÁP DỰ ỨNG LỰC NGOÀI NÂNG CẤP CẦU BẮC PHÈN KM12+550 ĐH16 TRÀ VINH Học viên: Ngô Thanh Điền Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng Cơng trình Giao thơng Mã số: 8580205 Khóa: K36 Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng Tóm tắt - Hiện có nhiều biện pháp gia cường cầu như: gia cường thép, gia cường vật liệu composite, gia cường tăng cường tiết diện gia cường cáp DƯL Trong đó, phương pháp gia cường cáp DƯL ngồi có nhiều ưu điểm phù hợp với cầu dầm DƯL sức kháng uốn, kháng cắt tăng, dễ kiểm tra bảo dưỡng q trình thi cơng khơng ảnh hưởng đến khai thác bình thường cầu….Tuy nhiên, phương pháp cịn số nhược điểm thi cơng ụ neo, ụ chuyển hướng khó khăn, cáp DƯL khơng có tính bền với mơi trường, tính thẩm mỹ khơng cao…Để khắc phục nhược điểm đó, tác giả sâu tìm hiểu, đánh giá hiệu phương pháp gia cường cáp DƯL cầu thực tế Trước tiên, cần kiểm định cầu cũ để xác định độ võng, đánh giá khả chịu tải thực tế tính tốn lực căng cịn lại dầm Sau đó, tính toán lượng cáp DƯL cần gia cường để đạt tải trọng nâng cấp kiểm toán theo trạng thái giới hạn Cuối cùng, cung cấp yêu cầu vấn đề cần ý căng cáp DƯL Để tương lai cần gia cường kết cấu cầu phương pháp căng cáp DƯL ngồi có sở tính tốn để biện pháp gia cường đạt kết tối ưu Từ khóa - biện pháp gia cường; bê tông cốt thép; dự ứng lực; kiểm định; cầu A RESEARCH ON USING EXTERNAL PRESTRESSED CABLE METHOD TO UPGRADE BAC PHEN KM12+550 ĐH16 BRIDGE IN TRA VINH PROVINCE Abstract - Currently, there are many bridge strengthening methods such as: strengthening with steel plate, composite materials, cross-section maximization and prestressed cable In particular, the external prestressed cable has many advantages which are suitable for prestressed bridge beams such as bending resistance, shear resistance increasing, the ease of maintenance and construction which does not affect the normal bridge operation However, this method still has some disadvantages For example, there are difficulties in constructing blister, deviator Besides, the prestressed cable is neither environmental resistance nor high sense To overcome those disadvantages, the author conduct a research in evaluating the effectiveness of the prestressed cable strengthening method on the real bridge Firstly, it is necessary to test the old bridge to determine deflection, assess the actual load capacity and calculate the remaining tension in the beam Secondly, there will have a calculation on the amount of prestressed cable that needing strengthened to reach either upgraded load or audit according to the limited states Finally, provide the requirements and issues in external prestressed cable in order to get the immediately calculation basis for the strengthening method to achieve the best results Keywords - strengthening method, reinforced concrete, prestressed, verify, bridge iv MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i LỜI CAM ĐOAN ii MỤC LỤC iv DANH MỤC HÌNH ẢNH .vii DANH MỤC BẢNG BIỂU viii MỞ ĐẦU 1.L ựa chọn ề tài 2.Đối tƣợng nghiên cứu: 3.Phạm vi nghiên cứu: Mục tiêu nghiên cứu: Phƣơng pháp nghiên cứu Dự kiến kết cấu uận văn: CHƢƠNG 1: NÂNG CẤP DẦM CẦU CŨ DỰ ỨNG LỰC BẰNG PHƢƠNG PHÁP DỰ ỨNG LỰC NGOÀI 1.1 T ng quan cầu Bắc Ph n KM12+550 ĐH16 Trà Vinh: 1.2 T ng quan biện pháp nâng cấp công trình cầu 1.2.1 Gia cường thép 1.2.1.1 Phạm vi áp dụng 1.2.1.2 Nguyên tắc cấu tạo 1.2.1.3 Ưu nhược điểm 1.2.1.4 Ứng dụng 1.2.2 Gia cường vật liệu Composite 10 1.2.2.1 Phạm vi áp dụng 10 1.2.2.2 Nguyên tắc cấu tạo 10 1.2.2.3 Ưu, nhược điểm 13 1.2.2.4 Ứng dụng 14 1.2.3 Gia cường tăng cường tiết diện 14 1.2.3.1 Phạm vi áp dụng 14 1.2.3.2 Nguyên tắc cấu tạo 14 1.2.3.3 Ưu, nhược điểm 15 1.2.3.4 Ứng dụng 16 1.3 T ng quan công tác gia cƣờng cầu cũ sử dụng cơng nghệ căng cáp dự ứng ực ngồi 16 1.3.1 Sơ lược công nghệ dự ứng lực 16 1.3.2 Khái niệm dự ứng lực 17 1.3.3 Phạm vi ứng dụng 17 1.3.4 Các hình thức bố trí cáp DUL ngồi 18 1.3.5 Các giả thiết tính toán cấu tạo 20 v 1.3.6 Các hình thức cấu tạo bố trí cáp ngồi dọc cầu 20 1.3.7 Ưu, nhược điểm 22 1.3.8 Ứng dụng 23 1.4 Những khó khăn q trình căng cáp dự ứng ực ngồi 23 1.5 Kết uận chƣơng 24 CHƢƠNG 2: TÍNH TỐN THIẾT KẾ GIA CƢỜNG CẦU 25 BẰNG CÁP DỰ ỨNG LỰC NGOÀI 25 2.1 Cơ sở dự ốn ực căng cịn ại cầu cũ 25 2.1.1 Xác định độ vồng cáp dự ứng lực dầm gây 25 2.1.2 Xác định độ võng cầu tỉnh tải gây 25 2.1.3 Tính tốn lực kéo lại thực tế cáp DƯL 25 2.1.4 Xác định độ võng cầu có hoạt tải gây 26 2.1.5 Tính tốn lực kéo cịn lại thực tế cáp DƯL 26 2.2 Tính tốn ƣợng cáp dự ứng ực cần b sung 26 2.2.1 Xác định sức kháng uốn lại dầm 26 2.2.2 Kiểm toán giới hạn cốt thép 27 2.2.2.1 Kiểm toán hàm lượng cốt thép tối đa 27 2.2.2.2 Kiểm toán hàm lượng cốt thép tối thiểu 27 2.2.3 Kiểm tốn sức kháng cắt cịn lại dầm 27 2.2.4 Kiểm toán ứng suất giai đoạn sử dụng 28 2.2.5 Xác định cáp DUL cần gia cường 28 2.2.6 Số tao cáp DUL cần phải bổ sung 29 2.3 Kiểm toán ại cầu với trạng thái giới hạn 29 2.3.1 Tính mát ứng suất q trình căng kéo cốt thép 29 2.3.1.1 Mất mát ứng suất biến dạng neo tính theo cơng thức 30 2.3.1.2 Mất mát ứng suất nén đàn hồi tính theo cơng thức 30 2.3.1.3 Mất mát ứng suất tự chùng tính theo cơng thức 30 2.3.2 Kiểm toán sức kháng uốn dầm vị trí nhịp 31 2.3.3 Kiểm toán sức kháng cắt dầm 32 2.3.4 Kiểm toán theo TTGH sử dụng 33 2.3.4.1 Kiểm toán ứng suất dầm 33 2.3.4.2 Kiểm toán độ võng dầm 33 2.4 Kết luận chương 34 CHƢƠNG 3: QUY TRÌNH THI CƠNG VÀ KIỂM SOÁT ỨNG SUẤT – CHUYỂN VỊ TRONG QUÁ TRÌNH THI CƠNG CĂNG CÁP DỰ ỨNG LỰC NGỒI 35 3.1 T chức xác ịnh o ộ võng trƣờng 35 3.1.1 Công tác chuẩn bị đo đạc trường 35 3.1.2 Tải trọng thử sơ đồ xếp tải 35 3.1.2.1 Nguyên tắc xác định tải trọng xe 35 vi 3.1.2.2 Tải trọng thử nghiệm 35 3.1.2.3 Bố trí sơ đồ thử tải 37 3.1.3 Bố trí điểm đo 39 3.2 Tính tốn ực căng cịn ại dầm 45 3.2.1 Dự đốn lực căng cịn lại 45 3.2.1.1 Tính tốn lực kéo cịn lại thực tế cáp DƯL: 48 3.2.1.2 Tính tốn lực kéo cịn lại thực tế cáp DƯL: 48 3.2.2 Tính tốn lực căng lại 48 3.2.2.1 Các thông số kỹ thuật số liệu đầu vào: 48 3.2.2.2 Tính tốn đặc trưng hình học mặt cắt 48 3.2.2.3 Tính tốn hệ số phân bố ngang hoạt tải 48 3.2.2.4 Tính toán mát ứng suất 48 3.2.2.5 Tính tốn lực căng lại 49 3.3 Kiểm toán dầm với tải trọng nâng cấp 50 3.3.1 Các thông số kỹ thuật số liệu đầu vào: 51 3.3.2 Tính tốn đặc trưng hình học mặt cắt 51 3.3.3 Tính tốn hệ số phân bố ngang hoạt tải 51 3.3.4 Tính toán nội lực 51 3.3.5 Kiểm toán trạng thái giới hạn tác dụng tải trọng tính tốn xe 7,5T 53 3.3.5.1 Kiểm toán sức kháng uốn 53 3.3.5.2 Kiểm toán sức kháng cắt 54 3.3.5.3 Kiểm toán ứng suất giai đoạn sử dụng 55 3.3.6 Tính tốn lượng cáp cần gia cường 57 3.3.7 Tính toán mát ứng suất 58 3.3.8 Kiểm toán trạng thái giới hạn 58 3.3.8.1 Kiểm toán cường độ I 58 3.3.8.2 Kiểm toán theo TTGH sử dụng 60 3.4 Quy trình công nghệ thi công căng cáp dự ứng ực 63 3.4.1 Những yêu cầu chung 63 3.4.2 Những vấn đề cần ý sửa chữa DUL 63 3.4.2.1 Kiểm sốt chuyển vị q trình thi cơng theo cấp 65 3.4.2.2 Kiểm soát ứng suất vị trí gối nhịp q trình thi cơng theo cấp 66 3.5 Kết uận chƣơng 66 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 67 TÀI LIỆU THAM KHẢO 68 PHỤ LỤC vii DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 0.1: Cầu Bắc Phèn Hình 1.1 : Cầu Bắc Phèn – Km12+550 Hình 1.2 : Hiện trạng mặt cầu - Cầu Bắc Phèn Hình 1.3 : Chính diện cầu - Cầu Bắc Phèn Hình 1.4 : Hiện trạng dầm - Cầu Bắc Phèn Hình 1.5: Mặt cắt ngang cầu Hình 1.6: Mặt cắt ngang dầm dọc Hình 1.7: Tăng cường khả chịu uốn dầm bê tông cốt thép Hình 1.8: Tăng cường khả chịu cắt dầm bê tông cốt thép Hình 1.9: Gia cường thép dầm BTCT thường Hình 1.10: Cầu Bà Rén (Quảng Nam) Hình 1.11: Cầu đường sắt Km 410+580 10 Hình 1.12: Gia cường tăng cường tiết diện 15 Hình 1.13: Gia cường tăng cường tiết diện thực tế 16 Hình 1.14: Tăng cường dầm cầu BTCT DUL tuyến cáp thẳng 19 Hình 1.15: Tăng cường dầm cầu BTCT DUL tuyến cáp gẫy khúc 19 Hình 1.16: Tăng cường dầm cầu đơn giản BTCT nhiều nhịp DUL ngồi để liên tục hố nhịp dầm 20 Hình 1.17: Neo đặt vào khối dầm ngang đầu dầm 22 Hình 2.1: Sơ đồ tính tốn gia cường cáp DUL 28 Hình 2.2: Sơ đồ kiểm tốn gia cường cáp DUL 31 Hình 2.3: Sơ đồ tính ứng suất dầm sau gia cường 33 Hình 3.1: Tải trọng thử 36 Hình 3.2: Điều động tải trọng thử 36 Hình 3.3: Xếp tải lệch tâm 37 Hình 3.4: Sơ đồ xếp tải tâm 38 Hình 3.5: Sơ đồ xếp tải lệch tâm thượng lưu 38 Hình 3.6: Sơ đồ xếp tải lệch tâm hạ lưu 39 Hình 3.7: Sơ đồ bố trí điểm đo võng dầm 40 Hình 3.8: Thiết bị đo độ võng 40 Hình 3.9: Lắp đặt thiết bị đo 41 Hình 3.10: Biểu đồ chuyển vị dầm tác dụng tải trọng tâm 42 Hình 3.11: Biểu đồ chuyển vị dầm tác dụng tải trọng lệch tâm thượng lưu 43 Hình 3.12: Biểu đồ chuyển vị dầm tác dụng tải trọng lệch tâm hạ lưu 44 Hình 3.13: Biểu đồ tổng hợp độ võng theo sơ đồ xếp tải 44 Hình 3.14: Biểu đồ mơmen tính toán TTGHCĐ1 Sức kháng uốn dầm 54 Hình 3.15: Biểu đồ lực cắt tính tốn TTGHCĐ1 Sức kháng cắt dầm 55 viii DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1: So sánh đặc trưng ba loại sợi theo Meier 1994 11 Bảng 1.2: So sánh đặc trưng học loại sợi khác với thép 13 Bảng 3.1: Thơng số kích thước tải trọng xe thử nghiệm 37 Bảng 3.2: Kết đo võng hệ số phân bố ngang dầm dọc nhịp N1 hoạt tải tĩnh – sơ đồ 1A 41 Bảng 3.3: Kết đo võng hệ số phân bố ngang dầm dọc nhịp N1 hoạt tải tĩnh – sơ đồ 1B 42 Bảng 3.4: Kết đo võng hệ số phân bố ngang dầm dọc nhịp N1 hoạt tải tĩnh – sơ đồ 1C 43 Bảng 3.5: Bảng tổng hợp hệ số phân bố ngang hoạt tải gây 48 Bảng 3.6: Bảng tổng hợp mát ứng suất cáp dự ứng lực 49 Bảng 3.7: Bảng nội lực TTGHCĐ I dầm 51 Bảng 3.8: Bảng nội lực TTGHCĐ I dầm biên 51 Bảng 3.9: Bảng nội lực TTGHSD dầm 52 Bảng 3.10: Bảng nội lực TTGHSD dầm biên 52 Bảng 3.11: Kiểm toán dầm TTGHCĐ1 tải trọng xe 7,5T 53 Bảng 3.12: Kiểm toán dầm TTGHCĐ1 tải trọng xe 7,5T 54 Bảng 3.13: Kiểm toán ứng suất giai đoạn sử dụng dầm 56 Bảng 3.14: Kiểm toán ứng suất giai đoạn sử dụng dầm biên 56 Bảng 3.15: Xác định lượng cáp cần thiết gia cường 57 Bảng 3.16: Tổng hợp mát ứng suất 58 Bảng 3.17: Kiểm toán sức kháng uốn tính tốn theo TTGH cường độ I 59 Bảng 3.18: Kiểm tốn sức kháng cắt tính toán theo TTGH cường độ I 59 Bảng 3.19: Kiểm toán ứng suất dầm theo TTGH sử dụng 60 Bảng 3.20: Kiểm toán độ võng 62 Bảng 3.21: Kiểm soát chuyển vị q trình thi cơng 66 MỞ ĐẦU L ựa chọn ề tài Giao thông yếu tố quan trọng, khơng góp phần thúc đẩy phát triển kinh tế - xã hội, đảm bảo quốc phòng - an ninh, mà mở hội kết nối giao thương vùng miền, từ thúc đẩy nhanh q trình cơng nghiệp hóa, đại hóa Vì việc nâng cao chất lượng sở hạ tầng vấn đề thiết yếu Tuy nhiên, số lượng cầu cũ nước ta lớn so với số vốn có nên việc lựa chọn biện pháp nâng cấp cơng trình cầu để đáp ứng nhu cầu phát triển kinh tế - xã hội cần thiết Hiện có nhiều biện pháp gia cường cầu như: gia cường thép, gia cường vật liệu composite, gia cường cáp DƯL gia cường tăng cường tiết diện Trong đó, phương pháp gia cường cáp DƯL phù hợp với cầu dầm DƯL do: - Sức kháng cắt sức kháng uốn tăng mà không làm tăng tĩnh tải kết cấu; - Kết cấu hở nên dể kiểm tra bảo dưỡng, làm tăng độ tin cậy; - Các tao cáp căng kéo hay thay đổi cần thiết; - Không ảnh hưởng lớn đến khai thác bình thường cầu Tuy nhiên phương pháp gia cường cáp DƯL cịn số khó khăn như: - Ứng dụng phương pháp phụ thuộc vào điều kiện hữu hiệu cơng trình Cần phải xác định cường độ bê tông để kéo cường độ cho phép - Việc thi công ụ neo ụ chuyển hướng khó khăn, ảnh hưởng đến cáp DƯL bên tiến hành khoan thi cơng ụ neo; - Cáp DƯL khơng có tính bền với môi trường Chịu va đập, chịu lửa kém; - Khó khăn việc xác định sức kháng cắt dầm; - Phạm vi thi công thường chật hẹp; - Tính thẩm mỹ cơng trình khơng cao; - Thi cơng địi hỏi phải có cẩn thận chi tiết, phụ thuộc nhiều vào lực đơn vị thi công Vì vậy, nhằm khắc phục lý nêu trên, tác giả tiến hành nghiên cứu cơng trình cụ thể định chọn đề tài “Nghiên cứu sử dụng cơng nghệ căng cáp dự ứng lực ngồi nâng cấp cầu Bắc Phèn Km12+550 ĐH16 Trà Vinh dựa vào kết thực nghiệm” Mất mát ứng suất tự chùng Mất mát tự chùng f pR  138  0.3f pF  0.4f pES  0.2  f pSR  f pCR  Kí hiệu Gối L/8 L/4 L/2 Đơn vị ΔfpR2 145,81 139,93 139,05 138,04 Mpa Kí hiệu Gối L/8 L/4 L/2 Đơn vị T ng hợp mát ứng suất Mất mát ứng suất biến dạng neo Δf PA Mất mát ứng suất co ngắn đh ΔfpES Mất mát ứng suất ma sát ΔfpF Mất mát ứng suất từ chùng T ng mát ứng suất 86,68 86,68 86,68 86,68 MPa 19,53 4,82 2,62 0,11 MPa - - - - MPa ΔfpR 145,81 139,93 139,05 138,04 MPa DfPT 252,03 231,43 228,35 224,83 MPa XI Kiểm toán trạng thái giới hạn: Kiểm toán cƣờng ộ I: 1.1 Kiểm toán sức kháng uốn dầm: Mu