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

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA LÊ VŨ HIẾU NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN GIẢI PHÁP GIA CƯỜNG KẾT CẤU NHỊP CẦU TRÀ KHÚC QUẢNG NGÃI LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH GIAO THƠNG Đà Nẵng - Năm 2018 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA LÊ VŨ HIẾU NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN GIẢI PHÁP GIA CƯỜNG KẾT CẤU NHỊP CẦU TRÀ KHÚC QUẢNG NGÃI Chuyên ngành : Kỹ thuật xây dựng cơng trình giao thơng Mã số : 60.58.02.05 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS NGUYỄN XUÂN TOẢN Đà Nẵng - Năm 2018 LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Tác giả luận văn Lê Vũ Hiếu MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC TÓM TẮT LUẬN VĂN DANH MỤC CÁC TỪ NGỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết đề tài Mục tiêu nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Bố cục đề tài Chương - TỔNG QUAN VỀ CÁC GIẢI PHÁP GIA CƯỜNG CẦU THÉP 1.1 Cơ sở gia cường cơng trình cầu 1.1.1 Công tác thu thập số liệu 1.1.2 Điều tra đánh giá trạng hư hỏng cơng trình cầu 1.1.3 Kiểm tốn cầu 1.1.4 Xác định phận cần tăng cường 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 căng tăng 1.2.3 Tăng cường trụ tạm 1.2.4 Giải pháp bổ sung kết cấu 1.2.5 Giải pháp căng cáp dự ứng lực 10 1.3 Phân tích đề xuất biện pháp gia cường 14 1.4 Kết luận chương 15 Chương - HIỆN TRẠNG VÀ LÝ THUYẾT TÍNH TỐN GIA CƯỜNG CẦU TRÀ KHÚC 16 2.1 Hiện trạng cầu Trà Khúc 16 2.1.1 Kết cấu phần 17 2.1.2 Kết cấu phần 18 2.1.3 Phân tích đánh giá trạng hư hỏng, cần thiết phải gia cường 20 2.2 Lý thuyết tính tốn gia cường cầu thép cáp dự ứng lực 22 2.2.1 Giả thiết tính tốn 22 2.2.2 Tính tốn cáp DƯL ngồi bố trí tăng cường dọc cầu 22 2.2.3 Kiểm toán mặt cắt theo trạng thái giới hạn cường độ I 27 2.2.4 Kiểm toán mặt cắt theo trạng thái giới hạn sử dụng II 29 2.3 Kết luận chương 29 Chương - TÍNH TỐN GIA CƯỜNG KẾT CẤU NHỊP CẦU TRÀ KHÚC BẰNG HỆ CÁP DỰ ỨNG LỰC CĂNG NGOÀI 30 3.1 Số liệu 30 3.1.1 Vật liệu 30 3.1.2 Mặt cắt ngang 30 3.2 Tính đặc trưng hình học 31 3.3 Tính hệ số phân bố ngang 32 3.3.1 Xác định tham số độ cứng dọc 32 3.3.2 Xác định hệ số phân bố ngang momen dầm 33 3.3.3 Xác định hệ số phân bố lực cắt dầm 33 3.3.4 Hệ số phân bố hoạt tải trường hợp có tải trọng người 33 3.3.5 Xác định hệ số phân bố ngang momen dầm biên 33 3.4 Tính tốn hiệu ứng tải trọng 35 3.4.1 Sơ đồ tính 35 3.4.2 Tải trọng tác dụng lên dầm chủ 35 3.4.3 Tính nội lực tĩnh tải 37 3.4.4 Tính toán nội lực hoạt tải 39 3.4.5 Tổng nội lực hoạt tải tĩnh tải 41 3.5 Sức kháng tiết diện 42 3.5.1 Momen chảy 43 3.5.2 Xác định trục trung hòa dẻo tiết diện liên hợp 44 3.5.3 Mô men dẻo tiết diện không liên hợp 44 3.6 Kiểm toán dầm chủ 45 3.6.1 Kiểm toán dầm chủ theo TTGHCĐ1 45 3.6.2 Kiểm toán dầm chủ theo TTGHSD 46 3.7 Thiết kế gia cường dầm chủ cáp dự ứng lực 46 3.7.1 Tính tốn bố trí cáp dự ứng lực 46 3.7.2 Kiểm tra sức kháng uốn dầm TTGH CĐ sau gia cường 49 3.7.3 Kiểm toán dầm chủ theo TTGHSD II sau gia cường 49 3.8 Kết Luận chương 50 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 51 TÀI LIỆU THAM KHẢO QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (Bản sao) NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN GIẢI PHÁP GIA CƯỜNG KẾT CẤU NHỊP CẦU TRÀ KHÚC QUẢNG NGÃI Học viên: Lê Vũ Hiếu Chuyên nghành: Kỹ thuật xây dựng cơng trình giao thơng Khóa: K32 Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Đà Nẵng Tóm tắt: Ở nước ta số lượng cầu thép cũ nhiều, chúng đem lại giá trị to lớn kinh tế giao thông vận tải Tuy nhiên, nhiều nguyên nhân khác nhau, nhiều cầu có dấu hiệu suy giảm lực chịu tải không đáp ứng nhu cầu giao thông với tải trọng yêu cầu cao Do đó, cần phải có biện pháp gia cường để nâng cao lực chịu tải nhằm trì khả phục vụ chúng Trong có cầu Trà Khúc Quảng Ngãi xuống cấp không đáp ứng yêu cầu khai thác Dựa số liệu khảo nghiệm số liệu thu thập từ hồ sơ thực tế, tác giả đề xuất chọn biện pháp gia cường hệ cáp dự ứng lực căng ngồi để tính tốn gia cường kết cấu nhịp cầu Trà Khúc Quảng Ngãi Theo kết tính tốn, tác giả xác định cường độ thiếu gia cường thêm hai tao cáp tăng cường Sau gia cường kết cấu đảm bảo khả chịu lực theo trạng thái giới hạn cường độ trạng thái giới hạn sử dụng Từ khóa: Gia cường cầu; cáp dự ứng lực ngồi; sửa chữa cầu; kiểm định cầu RESEARCH IN STRENGTHENING STRUCTURE OF TRA KHUC QUANG NGAI BRIDGE WITH GENERATION EXTERNAL POST-TENSIONING CABLE Abstract: In Vietnam, the number of old steel bridges is very high, which will bring enormous economic and transportation benefits However, due to many reasons, many bridges had signs of weaker and can not meet the traffic with higher load requirements Therefore, we need reinforcement measures to improve the load capacity Currently, the Tra Khuc Quang Ngai bridge has been degraded and can not meet the current demand Based on surveys data and data collected from the records, the author proposed and selected measures reinforced by prestressed external tension cable system to calculate structural reinforced bridge the Tra Khuc Quang Ngai bridge According to the calculation results, the author has identified the missing strength and strengthen two additional cables After reinforcing the structure to ensure the bearing capacity under the status of limit state and service ability limit state Key words: reinforcement; external post-tensioning cable; bridge repair; Demand testing DANH MỤC CÁC TỪ NGỮ VIẾT TẮT BT BTCT CĐC ĐBVN DC DƯL DW LL PL TCN TCVN TTGH CĐ TTGHSD : Bê tông : Bê tông cốt thép : Cường độ cao : Đường Việt Nam : Tĩnh tải giai đoạn : Dự ứng lực : Tĩnh tải giai đoạn : Hoạt tải xe HL93 : Hoạt tải người : Tiêu chuẩn ngành : Tiêu chuẩn Việt Nam : Trạng thái giới hạn cường độ : Trạng thái giới hạn sử dụng DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu Tên bảng bảng Trang 2.1 Bảng tính trị số tính tốn theo DƯL căng 25 2.2 Tỷ số ứng suất cắt ổn định với cường độ cắt chảy 28 3.1 Kích thước tiết diện dầm chủ tính tốn 31 3.2 Xác định đặc trưng hình học 32 3.3 Xác định tham số độ cứng dọc 32 3.4 Hệ số phân bố ngang cho dầm 34 3.5 Tĩnh tải lớp phủ mặt cầu 36 3.6 Tĩnh tải tác dụng lên dầm biên 37 3.7 Tổng hợp tải trọng tác dụng lên dầm 37 3.8 Mơ men khơng có hệ số dầm biên tĩnh tải gây (kN.m) 38 3.9 Lực cắt khơng có hệ số dầm tĩnh tải gây (kN) 39 3.10 Giá trị tung độ đường ảnh hưởng mô men 39 3.11 Giá trị momen khơng có hệ số hoạt tải gây (kN.m) 40 3.12 Tính tung độ đường ảnh hưởng lực cắt (m) 41 3.13 Giá trị lực cắt khơng có hệ số hoạt tải gây (kN) 41 3.14 Tổng hợp nội lực dầm chủ 42 3.15 Tính tốn mơ men chảy tiết diện khơng liên hợp 43 3.14 Lực dẻo tiết diện không liên hợp 45 3.15 Mô men dẻo tiết diện không liên hợp 45 3.16 Bảng kiểm tra sức kháng uốn dầm 46 3.17 Bảng kiểm tra ứng suất dầm chủ 46 3.18 Mô men căng cáp DƯL 48 3.19 Mô men trước sau gia cường – TTGHCĐ1 48 Số hiệu bảng Tên bảng Trang 3.20 Mô men trước sau gia cường – TTGHSD II 49 3.21 Bảng kiểm tra sức kháng uốn dầm sau gia cường 49 3.22 Bảng kiểm tra ứng suất dầm chủ sau gia cường 50 48 ei độ lệch tâm cáp so với trục trung hòa α góc cáp chuyển hướng Bảng 3.18 Mơ men căng cáp DƯL Vị trí ei (m) MPS (kN.m) 675.51 775.33 Ltt/8 Ụ neo 0,81 675,51 Ltt/8 0,9297 775,33 977.40 1128.60 Ltt/4 3Ltt/8 Ltt/4 1,172 977,4 3Ltt/8 1,35 1128,6 1128.60 1128.60 977.40 Ltt/2 5Ltt/8 6Ltt/4 Ltt/2 1,35 1128,6 775.33 675.51 7Ltt/8 Hình 3.14 Biểu đồ mơ men lực căng cáp ngồi gây Bảng 3.19 Mơ men trước sau gia cường – TTGHCĐ1 Thời điểm Vị trí Gối Vị trí neo cáp 1/8L 1/4L 3/8L 1/2L Neo Ltt/8 Trước gia cường TTGHCĐ Mu(kN.m) Ltt/4 Sau gia cường Cáp dự ứng lực TTGHCĐ Mps(kN.m) Mu(kN.m) 0,00 1729,7 675,51 1054,17 3638,2 6191,56 7685,91 8147,11 775,33 977,40 1128,60 1128,60 2862,87 5214,16 6557,31 7018,51 3Ltt/8 Ltt/2 5Ltt/8 6Ltt/4 7Ltt/8 Neo 0 1054.17 1054.17 2862.87 2862.87 5214.16 5214.16 6557.31 7018.51 6557.31 Hình 3.15 Biểu đồ bao mô men dầm chủ sau căng cáp dự ứng lực – TTGHCĐ1 49 Bảng 3.20 Mô men trước sau gia cường – TTGHSD II Trước gia cường TTGHSD II Mu(kN.m) Thời điểm Vị trí Gối Vị trí neo cáp 1/8L 1/4L 3/8L 1/2L Neo Ltt/8 Ltt/4 Sau gia cường Cáp dự ứng lực TTGHSD II Mps(kN.m) Mu(kN.m) 0,00 1359,82 675,51 684,31 2860,75 4870,44 6048,29 6413,47 775,33 977,40 1128,60 1128,60 2085,42 3893,04 4919,69 5284,87 3Ltt/8 Ltt/2 5Ltt/8 6Ltt/4 7Ltt/8 Neo 0 684.31 684.31 2085.42 2085.42 3893.04 3893.04 4919.69 5284.87 4919.69 Hình 3.16 Biểu đồ bao mô men dầm chủ sau căng cáp dự ứng lực – TTGHSD II 3.8.2 Kiểm tra sức kháng uốn dầm TTGH CĐ sau gia cường [5] [8] Kiểm tra sức kháng uốn mặt cắt theo công thức: M u ≤ M r Bảng 3.21 Bảng kiểm tra sức kháng uốn dầm sau gia cường Vị trí Mu(kN.m) Mr(kN.m) Kiểm tra Gối 0,00 7020,59 Đạt Vị trí neo cáp 1054,17 7020,59 Đạt 1/8L 2862,87 7020,59 Đạt 1/4L 5214,16 7020,59 Đạt 3/8L 6557,31 7020,59 Đạt 1/2L 7018,51 7020,59 Đạt Theo kết bảng 3.21 kết luận dầm chủ sau gia cường cáp dự ứng lực căng đảm bảo khả chịu lực với hoạt tải HL93 3.8.3 Kiểm toán dầm chủ theo TTGHSD II sau gia cường Ứng suất f dầm thép kết cấu dầm không liên hợp xác định theo công thức sau: = f M / S NC ≤ Fy 50 Trong M - mô men TTGHSD II tải trọng gây dầm thép; S NC - mô men kháng uốn tiết diện dầm thép Ở ứng suất thớ thớ dầm thép kiểm tra Mặt khác tiết diện không liên hợp nên ứng suất hai thớ Bảng 3.22 Bảng kiểm tra ứng suất dầm chủ sau gia cường Vị trí Mu(kN.m) Mơ men kháng uốn S (mm3) Ứng suất f t = f b (MPa) Gối Vị trí neo cáp 1/8L 1/4L 3/8L 1/2L 0,00 25409354,19 250 Đạt 684,31 25409354,19 26,9315 250 Đạt 2085,42 3893,04 4919,69 5284,87 25409354,19 25409354,19 25409354,19 25409354,19 82,0728 153,213 193,617 207,989 250 250 250 250 Đạt Đạt Đạt Đạt Fy Kiểm tra (MPa) Theo kết bảng 3.22 kết luận dầm chủ sau gia cường cáp dự ứng lực căng đảm bảo khả chịu lực với hoạt tải HL93 3.9 Kết Luận chương Trong chương 3, cầu Trà Khúc kiểm toán khả chịu lực đổi với hoạt tải HL93 Tuy nhiên, qua kết tính tốn đánh giá theo sức kháng uốn cầu Trà Khúc khơng đảm bảo lực chịu tải đổi với HL93 Vì việc gia cường theo phương pháp sử dụng cáp dự ứng lực căng áp dụng Số lượng cáp dự ứng lực bố trí tao 15,2mm đối xứng qua tim dầm Neo cáp bố trí cách đầu dầm 2m, vị trí ụ chuyển hướng cách neo 8,8m Lực căng cáp dự ứng xem tải trọng tác dụng lên dầm chủ, gây giá trị nội lực trái dấu với giá trị nội lực hoạt tải gây nhằm làm giảm giá trị nội lực dầm chủ Việc tính tốn kiểm tra dầm chủ sau gia cường theo TTGHCĐ1 TTGHSD II cho thấy dầm chủ đảm bảo khả chịu tải HL93 sau gia cường cáp dự ứng lực 51 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Luận văn tiến hành nghiên cứu nhiều biện pháp gia cường khác cho kết cấu nhịp cầu Trà Khúc sau phân tích biện pháp áp dụng cáp dự ứng lực ngồi nhằm nâng cao khả chịu tải cầu Trà Khúc hợp lý để đủ đảm bảo khả khai thác với hoạt tải HL93 Các kết đạt luận văn bao gồm: - Nghiên cứu biện pháp gia cường cho cầu thép ứng dụng biện pháp gia cường kết cấu nhịp cầu Trà Khúc hệ cáp DUL căng - Qua tính tốn phân tích kết cấu cầu Trà Khúc, nhận định để cầu Trà Khúc khai thác với hoạt tải HL93 cần phải gia cường nhằm nâng cao khả chịu tải cầu - Sau gia cường kết cấu nhịp cầu Trà Khúc hệ cáp dự ứng lực căng với tao cáp bố trí đối xứng qua tim dầm Qua q trình kiểm toán theo TTGHCĐ1 TTGHSD II kết cấu cầu Trà Khúc đảm bảo khả chịu lực hoạt tải HL93 Tuy nhiên, luận văn số hạn chế luận văn chưa sâu vào việc tính tốn thiết kế ụ neo, ụ chuyển hướng biện pháp thi công chi tiết Kiến nghị: Qua đánh giá trạng dầm thép phần dầm thép có nhiều hư hỏng bị rỉ Vì vậy, việc tu bảo dưỡng sửa chữa phải tiến hành định kỳ Đối với dầm thép bị rỉ phải tiến hành cạo rỉ sơn sửa để không ảnh hưởng đến khả chịu tải dầm Qua trình quan trắc trạng tính tốn kiểm tra lại hoạt tải HL93 Nhận định việc kiểm định thử tải cầu Trà Khúc cần thiết nhằm đánh giá tổng thể lại khả làm việc cầu Từ đưa phương án cắm lại biển tải trọng khai thác, gia cường nhằm đảm bảo khả khai thác an toàn cho cầu, người phương tiện lưu thông Theo đánh giá phương án đưa trước tiến hành nâng cấp cầu hạn chế tải trọng tương đương hoạt tải HL93 Hướng nghiên cứu đề tài: Nghiên cứu tính tốn thiết kế ụ neo, ụ chuyển hướng cầu Trà Khúc, Quảng Ngãi cáp DUL TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Bộ giao thông vận tải (2005), Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22TCN 272-05, Nhà xuất Giao thông vận tải, Hà Nội [2] Nguyễn Minh Hùng, Nguyễn Bình Hà (2004), Cơ sở thiết kế ví dụ tính tốn cầu dầm cầu dàn thép, NXB Xây dựng, Hà Nội [3] Hoàng Phương Hoa (2012), Khai thác sửa chữa - gia cố cơng trình cầu, NXB Xây dựng Hà Nội [4] Lê Đình Tâm (2009), Cầu thép, NXB Giao thông vận tải, Hà Nội [5] Nguyễn Xuân Toản, Nguyễn Văn Mỹ (2010), Thiết kế cầu thép, NXB Xây dựng, Hà Nội [6] Nguyễn Viết Trung, Hoàng Hà, Lê Quang Hạnh (2009), Cầu thép, NXB Xây dựng, Hà Nội [7] Lê Thị Bích Thủy Trần Nhật Lâm, Ứng dụng phương pháp căng sau cáp cường độ cao để tăng cường kết cấu nhịp cầu dầm thép đường ô tô - Bài báo khoa học [8] Nguyễn Trọng Nghĩa (2012), Bài giảng môn học: Sửa chữa tăng cường kết cấu cầu Tiếng Anh [9] Pedro Albrecht, M.ASCE; and Akhrawat Lenwari (2008), Design of Prestressing Tendon for Strengthening Steel Truss Bridge, Journal of bridge engineering [10] Hakan Nordin (2004), Strengthening structures with externally prestres - Sed tendons, Lulea December ... nhỏ phần hạ số kết cấu cầu nguồn vốn hạn chế nên chưa có điều kiện tu sửa tồn kết cấu nhịp cầu Do đó, việc ? ?Nghiên cứu lựa chọn giải pháp gia cường kết cấu nhịp cầu Trà Khúc Quảng Ngãi? ?? cần thiết,... cường cầu thép Phân tích đề xuất chọn biện pháp gia cường kết cấu nhịp cầu Trà Khúc - Trong chương nêu trạng nghiên cứu lý thuyết tính tốn gia cường kết cấu nhịp cầu Trà Khúc theo phương pháp. .. căng cáp Cầu Trà Khúc - Quảng Ngãi Mặt cắt ngang cầu Trà Khúc Tiết diện dầm chủ cầu Trà Khúc Hình ảnh dầm chủ, hệ liên kết Cấu tạo Mố cầu Trà Khúc Cấu tạo Trụ cầu Trà Khúc Dầm thép hệ liên kết bị