Đánh giá khả năng chịu lực và đề xuất phương án cải tạo cầu hội yên thành phố đà nẵng

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGÔ NHẬT ANH C C ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG CHỊU LỰC VÀ R L T ĐỀ XUẤT PHƢƠNG ÁN CẢI TẠO CẦU HỘI YÊN THÀNH PHỐ ĐÀ NẴNG U D LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH GIAO THƠNG Đà Nẵng, Năm 2019 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGÔ NHẬT ANH ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG CHỊU LỰC VÀ ĐỀ XUẤT PHƢƠNG ÁN CẢI TẠO CẦU HỘI YÊN C C THÀNH PHỐ ĐÀ NẴNG R L T U D Chuyên ngành : Kỹ thuật Xây dựng Cơng trình giao thơng Mã số : 85.80.205 LUẬN VĂN THẠC SĨ Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: PGS.TS HOÀNG PHƢƠNG HOA Đà Nẵng, Năm 2019 LỜI CẢM ƠN Học vi n in ch n th nh cảm ơn Thầy giáo PGS.TS Hoàng Phƣơng Hoa tận tình hƣớng dẫn - bảo trình làm luận văn Xin chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo, tập thể cán bộ, giảng viên Khoa Xây dựng Cầu đƣờng, Phòng KH, SĐH & HTQT Trƣờng Đại học B ch hoa - Đại học Đ Nẵng, Ban đ o tạo Sau đại học - Đại học Đà Nẵng, gia đình, bạn bè động viên tạo điều kiện cho học vi n thời gian học cao học v ho n th nh luận văn tốt nghiệp Với thời gian nghiên cứu v lực thân cịn hạn chế , luận văn chắn khơng tránh khỏi thiếu sót, tồn Học vi n mong nhận đƣợc ý kiến đóng góp từ phía thầy bạn bè đồng nghiệp để luận văn đƣợc hoàn thiện Trân trọng cảm ơn! C C U D R L T LỜI CAM ĐOAN Tơi cam đoan đ y l cơng trình nghi n cứu riêng Các số liệu, kết tính tốn nêu luận văn l trung thực v chƣa đƣợc công bố công trình khác Tác giả luận văn Ngơ Nhật Anh C C U D R L T ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG CHỊU LỰC VÀ ĐỀ XUẤT PHƢƠNG ÁN CẢI TẠO CẦU HỘI YÊN THÀNH PHỐ ĐÀ NẴNG Học viên : NGƠ NHẬT ANH Chun ngành Mã số Khóa : Kỹ thuật xây dựng cơng trình giao thơng : 85.80.02.05 : K36 Trƣờng Đại học Bách khoa – Đại học Đ Nẵng Tóm tắt: Đ nh gi lực chịu tải cầu Hội Yên thuộc huyện Hòa Vang giải pháp thiết kế nâng cấp sửa chữa áp dụng c c phƣơng ph p đ nh gi cầu để c định nguy n nh n hƣ hỏng, lực chịu tải thực tế cầu; nhu cầu vận chuyển hàng hố, từ có giải pháp nâng cấp sửa chữa Đồng thời đ nh gi lại việc cắm biển tải trọng cầu thời điểm khảo sát so với QCVN 41:2016/BGTVT Bộ Giao thông vận tải để loại xe có số lƣợng trục khác , có tải trọng khác hợp pháp qua cầu mà không gây nguy hiểm cho kết cấu Trong nội dung luận văn t c giả tiến hành thực nghiệm v đ nh gi lực chịu tải cầu Áp dụng phƣơng ph p đ nh gi cầu theo tiêu chuẩn AASSHTO, từ kết đ nh t c giả chọn giải ph p gia cƣờng phƣơng ph p d n vật liệu FRP cho cầu, từ kết tính to n đề xuất cắm biển tải trọng hợp ph p trƣớc hi gia cƣờng v sau hi gia cƣờng đảm bảo phục vụ tốt cho việc vận chuyển hàng hố an tồn cho cơng trình cầu Từ khóa: Đ nh gi , lực chịu tải, cầu thép, thiết kế, nâng cấp sửa chữa Summary: The assessment of the load-carrying capacity of Hoi Yen bridge in Hoa Vang District and the design solution for improvement and repair is to apply the method of bridge assessment to identify causes of damage and performance, the actual bearing load of C C R L T U D the bridge; Demand for transportation of goods, from which solutions to improve and repair Meanwhile, it is necessary to evaluate weight limit of the old bridges at the time when these bridges were monitored compared to QCVN 41:2016/BGTVT standard enacted by Ministry of Transport which allows vehicles with different axle and weight to pass the bridge without endangering its structure members In this thesis, Hoi Yen bridge was selected to carry out testing the bridge load capacity The standard used to assess in the study is AASHTO LRFD Based on the results of the examination, using FRP material to cover reinforced concrete beam bridge solutions to strengthen bridge performance Eventually, to ensure bridge safety and best service for the carriage of products, the research suggested the appropriate weight limit of bridges before and after the time when adding strength Keyword: Evaluation, load-carrying capacity, reinforced concrete, strengthen MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN LỜI CAM ĐOAN ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG CHỊU LỰC VÀ ĐỀ XUẤT PHƢƠNG ÁN CẢI TẠO CẦU HỘI YÊN THÀNH PHỐ ĐÀ NẴNG MỤC LỤC DANH MỤC BẢNG BIỂU DANH MỤC HÌNH VẼ MỞ ĐẦU 1 Lý chọn đề tài Đối tƣợng nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu Phƣơng ph p nghi n cứu Cấu trúc luận văn C C R L T CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CƠNG TRÌNH CẦU HỘI N VÀ VẬT LIỆU SỢI FPR 1.1 GIỚI THIỆU VỀ CẦU HỘI YÊN 1.1.1 Tiêu chuẩn thiết kế ban đầu 1.1.2 Giải pháp kết cấu cầu U D 1.2 TÌNH TRẠNG, CHẤT LƢỢNG CẦU 1.2.1 C c hƣ hỏng cố cầu Hội Yên 1.3 TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU FRP 1.3.1 Đặc tính cấu tạo composite 1.3.2 Đặc tính vật lý vật liệu composite KẾT LUẬN CHƢƠNG 10 CHƢƠNG 2: ĐÁNH GÍA NĂNG LỰC CHỊU TẢI CỦA CẦU HỘI YÊN VÀ CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TỐN GIA CƢỜNG CẦU BẰNG VẬT LIỆU FRP 11 2.1 CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ CẦU 11 2.1.1 Đ nh gi cầu theo hệ số sức kháng hệ số tải trọng 11 2.1.2 Quy trình đ nh gi tải trọng theo phƣơng ph p đ nh gi hệ số tải trọng hệ số sức kháng 13 2.1.3 Tính tốn khả chịu tải C .14 2.1.4 Hiệu ứng tải trọng 15 2.2 ĐÁNH GIÁ NĂNG LỰC CHỊU TẢI CỦA CẦU HỘI YÊN 17 2.2.1 Giới thiệu chung 17 2.2.2 Đ nh gi tải trọng hợp pháp cầu Hội Yên 17 2.2.3 Đ nh gi trạng khả chịu lực kết cấu nhịp 19 KẾT LUẬN CHƢƠNG 24 CHƢƠNG 3: TÍNH TỐN TĂNG CƢỜNG SỨC KHÁNG UỐN, SỨC KHÁNG CẮT CỦA DẦM CẦU HỘI YÊN BẰNG TẤM SỢI FRP VÀ SO SÁNH ĐÁNH GIÁ VỚI SỐ LIỆU BAN ĐẦU 25 3.1 MỘT SỐ GIẢI PHÁP GIA CƢỜNG TRONG CẦU BÊ TÔNG CỐT THÉP VÀ CẦU THÉP .25 3.1.1 Gia cƣờng cầu BTCT BTCT dự ứng lực .25 3.1.2 Gia cƣờng cầu thép 25 3.1.3 Lựa chọn giải ph p gia cƣờng cho số cầu Hội Yên 26 3.2 THIẾT KẾ GIA CƢỜNG KẾT CẤU NHỊP CẦU HỘI YÊN 26 3.2.1.Cơ sở tính to n gia cƣờng vật liệu FRP dầm BTCT 26 3.2.2 Tính to n tăng cƣờng sức kháng uốn dầm bê tông cốt thép tiêu chuẩn C C ACI220,2R-08 .31 3.2.3 Thiết kế gia cƣờng kết cấu nhịp dầm 35 3.3 ĐÁNH GIÁ NĂNG LỰC CHỊU TẢI CẦU HỘI YÊN SAU GIA CƢỜNG 44 3.3.1 Hiện trạng cầu Hội Yên sau sửa chữa gia cƣờng mở rộng 44 3.3.2 Thử tải cầu với tải trọng tĩnh .47 3.3.3 Thử tải động kết cấu nhịp 51 R L T U D KẾT LUẬN CHƢƠNG 53 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 54 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI (bản sao) DANH MỤC BẢNG BIỂU Số hiệu Tên bảng Trang Bảng 1.1 Khối lƣợng riêng loại vật liệu composite (g/cm3)[11] Bảng 1.2 Hệ số dãn nở nhiệt loại vật liệu composite [11] Bảng 2.1 Hệ số tải trọng hoạt tải theo TTGH 16 Bảng 2.2 Hệ số tải trọng tải trọng hợp pháp 16 Bảng 2.3 Khoảng cách tải trọng trục xe tải đo 17 Bảng 2.4 Chuyển vị dầm chủ với tải trọng thử nhịp 19 Bảng 2.5 Chuyển vị dầm chủ với tải trọng thử nhịp 19 Bảng 2.6 Các thông số mặt cắt ngang cầu 20 Bảng 2.7 Cƣờng độ bê tơng dầm chủ 20 Bảng 2.8 Tính chất lý bê tơng Bảng 2.9 Tính chất lý cốt thép Bảng 2.10 X c định sức kháng uốn tiết diện dầm chủ nhịp Bảng 2.11 X c định sức kháng cắt tiết diện dầm chủ gối 22 Bảng 2.12 X c định hệ số đ nh gi RF theo mô men 22 Bảng 2.13 X c định hệ số đ nh gi RF theo lực cắt 23 Bảng 3.1 Đặc trƣng hình học sợi 36 Bảng 3.2 Sức kháng uốn sau hi gia cƣờng 38 Bảng 3.3 X c định hệ số đ nh gi RF mô men 38 Bảng 3.4 X c định hệ số đ nh gi RF lực cắt 39 Bảng 3.5 X c định tải trọng cắm biển 39 Bảng 3.6 X c định hệ số đ nh gi RF mô men 40 Bảng 3.7 X c định hệ số đ nh gi RF lực cắt 40 Bảng 3.8 X c định tải trọng cắm biển 40 Bảng 3.9 X c định hệ số đ nh gi RF mô men 41 Bảng 3.10 X c định hệ số đ nh gi RF lực cắt 41 Bảng 3.11 X c định tải trọng cắm biển 42 Bảng 3.12 X c định hệ số đ nh gi RF mô men 42 C C R L T U D 20 20 21 Bảng 3.13 X c định hệ số đ nh gi RF lực cắt 43 Bảng 3.14 X c định tải trọng cắm biển 43 Bảng 3.15 Chỉ ti u lý vải FRP đƣợc sử dụng gia cƣờng cầu Hội Yên 45 Bảng 3.16 Khoảng cách tải trọng trục xe tải đo 47 Bảng 3.17 Ứng suất thớ dƣới dầm nhịp 50 Bảng 3.18 Độ võng nhịp dầm nhịp 51 Bảng 3.19 Hệ số phân bố ngang dầm nhịp 51 Bảng 3.20 Hệ số xung kích dầm nhịp 52 Bảng 3.21 Kết phân tích tần số chu kỳ kết cấu nhịp 52 C C U D R L T DANH MỤC HÌNH VẼ Số hiệu Tên hình Trang Hình 1.1 Bố trí chung cầu Hình 1.2 Mặt cắt ngang cầu trụ Hình 1.3 Mặt cắt ngang cầu mố Hình 1.4 Bê tơng dầm chủ bị sứt mẻ cục bộ, khơng phẳng Hình 1.5 Khe co giãn bị hƣ hỏng Hình 2.1 Trình tự đ nh gi tải trọng hợp pháp 13 Hình 2.2 Hai xe tải đo cầu Hội Yên 18 Hình 2.3 Sơ đồ chất tải theo phƣơng dọc cầu 18 Hình 2.4 Sơ đồ chất tải theo phƣơng ngang cầu 18 Hình 3.1 Ứng suất - biến dạng tiết diện chữ T dầm BTCT 27 Hình 3.2 Biến dạng dầm BTCT trƣờng hợp phá hoại đồng thời 27 Hình 3.3 Biểu đồ biến dạng dầm BTCT trƣờng hợp sợi đứt 29 Hình 3.4 Tăng cƣờng sức kháng cắt cho dầm BTCT sợi FRP 35 Hình 3.5 Gia cƣờng dầm chủ theo phƣơng dọc cầu 36 Hình 3.6 Gia cƣờng dầm chủ theo phƣơng ngang cầu 37 Hình 3.7 Biển cắm tải trọng hợp ph p sau gia cƣờng 39 Hình 3.8 Biển cắm tải trọng hợp ph p sau gia cƣờng 41 Hình 3.9 Biển cắm tải trọng hợp ph p sau gia cƣờng 42 Hình 3.10 Biển cắm tải trọng hợp ph p sau gia cƣờng 43 Hình 3.11 Cầu Hội Yên sau sửa chữa mở rộng 44 Hình 3.12 Mặt cắt ngang cầu trụ mố sau sửa chữa mở rộng 45 Hình 3.13 Gia cƣờng dầm chủ FRP 46 Hình 3.14 Hệ thống lan can tay vịn cầu cũ 46 Hình 3.15 Hệ thống lan can tay vịn thay 47 Hình 3.16 Xe thử tải cầu 13T 47 Hình 3.17: Xếp tĩnh tải thiết bị đo nhịp v theo phƣơng dọc cầu 48 Hình 3.18: Xếp tĩnh tải thiết bị đo nhịp v theo phƣơng ngang cầu 48 Hình 3.19: Chất xe nhịp 49 C C R L T U D 47 Hình 3.15 Hệ thống lan can tay vịn thay 3.3.2 Thử tải cầu với tải trọng tĩnh 3.3.2.1 Tải trọng thử tải cầu Xe thử tải cầu xe 13 (Hình 3.16) Tải trọng trục xe khoảng cách trục e đƣợc thể Bảng 3.16 e đƣợc cân tải Bảng 3.16 Khoảng cách tải trọng trục xe tải đo C C Stt Biển số xe U D Dọc 43C03159 R L T Khoảng cách bánh xe theo phƣơng (m) 3.6 Ngang 1.85 Hình 3.16 Xe thử tải cầu 13T Tải trọng trục xe (tấn) Trƣớc 3.02 Sau 10.41 48 3.3.2.2 Thử tải trọng tĩnh nhịp nhịp Thử tải tĩnh nhịp nhịp l đo biến dạng thớ dƣới vải FRP v độ võng dầm tiết diện nhịp Hình 3.17 3.18 thể c c sơ đồ xếp tải vị trí thiết bị đo ứng suất chuyển vị dầm chủ theo phƣơng dọc ngang cầu nhịp Các hình ảnh thử tải cầu thực tế đƣợc thể Hình 3.19 3.20 C C R L T Hình 3.17: Xếp tĩnh tải thiết bị đo nhịp theo phương dọc cầu U D Hình 3.18: Xếp tĩnh tải thiết bị đo nhịp theo phương ngang cầu 49 C C R L T U D Hình 3.19: Chất xe nhịp 50 Hình 3.20: Chất xe nhịp Kết đo đạt tính tốn ứng suất, độ võng dầm nhịp v đƣợc thể Bảng 3.17 3.18 Bảng 3.17 Ứng suất thớ dầm nhịp STT Thế tải Nhịp Nhịp Ứng suất tính tốn (MPa) Tỷ lệ K (%) Dầm B2161 R L T 0,0000878 2,28 2,30 99,03 Dầm B2157 0,0000828 2,19 2,31 94,80 Dầm B2162 0,0000748 1,65 1,67 98,79 Dầm B2158 0,0000588 1,97 2,20 89,40 Dầm B2167 0,0000821 18,87 - - Dầm B2166 0,0000615 14,13 - - Dầm B2154 0,0000485 11,16 - - Dầm B2168 0,0000313 7,19 - - Vị trí A Thớ dƣới dầm bê tơng C C Ứng suất đo đạc (MPa) Thiết bị Biến dạng U D B Thớ dƣới vải FRP Nhịp Nhịp Nhận xét: Ứng suất thớ dƣới dầm đo đạc với cấp tải 13T sát với ứng suất tính tốn theo lý thuyết có ét đến điều kiện làm việc Điều chứng tỏ kết cấu dầm sau gia cƣờng nhịp đảm bảo an toàn lực chịu tải xe tải 13T 51 Bảng 3.18 Độ võng nhịp dầm nhịp STT Thế tải Nhịp Nhịp Vị trí Thiết bị Độ võng đo đạc (mm) Độ võng tính tốn (mm) Tỷ lệ K (%) Dầm V1 2,475 2,54 97,40 Dầm V2 2,425 2,51 96,77 Dầm V1 2,255 2,27 99,43 Dầm V2 2,160 2,09 103,55 Nhận xét: Độ võng đo đạc dầm chủ với cấp tải 13T sát với độ võng tính tốn theo lý thuyết có ét đến điều kiện làm việc Điều chứng tỏ trạng kết cấu nhịp đảm bảo an toàn lực chịu tải xe tải 13T Từ kết đo đạc độ võng dầm, hệ số phân bố ngang thực tế dầm chủ đƣợc tính tốn thể Bảng 3.19 C C R L T Bảng 3.19 Hệ số phân bố ngang dầm nhịp STT Thế tải Nhịp Nhịp U D Vị trí Độ võng đo đạc (mm) Hệ số phân bố ngang Dầm 2,475 0,51 Dầm 2,425 0,49 Dầm 2,255 0,51 Dầm 2,160 0,49 Nhận xét: Đối với kết cấu nhịp có dầm chủ với xe, hệ số phân bố ngang thực tế dầm chủ nhịp phù hợp 3.3.3 Thử tải động kết cấu nhịp 3.3.3.1 Hệ số xung kích – chuyển vị động Bố trí xe chạy với tốc độ khác V = 0, 10, 20 30 km/h qua nhịp và ghi lại biểu đồ độ võng nhịp Bảng 3.20 thể chuyển vị động hệ số xung kích kết cấu nhịp 52 Bảng 3.20 Hệ số xung kích dầm nhịp Thiết bị Kết cấu nhịp Độ võng (mm) ứng với vận tốc (km/h) 10 20 Hệ số xung kích 30 Nhịp 1- Dầm V1 2,43 2,63 2,72 2,94 Nhịp 1- Dầm V2 2,48 2,63 2,64 3,04 Nhịp 2- Dầm V1 2,16 2,60 2,52 2,55 Nhịp 2- Dầm V2 2,255 2,555 2,46 2,77 1,23 1,23 Nhận xét bảng 3.20: Hệ số xung kích kết cấu nhịp sát với hệ số xung kích theo Tiêu chuẩn 22TCN 272-05 (IM = 1,25) lớn hệ số xung kích theo 22TCN 18-79 (IM = 1,20) 3.3.3.2 Gia tốc - tần số Bố trí xe tải chạy với tốc độ lớn có hãm phanh cầu để gây hiệu ứng động lớn cho kết cấu nhịp Kết ghi lại biểu đồ dao động để xác C C R L T định tần số dao động chu kỳ dao động theo phƣơng Kết phân tích gia tốc, tần số dao động riêng chu kỳ đƣợc thể Bảng 3.21 Bảng 3.21 Kết phân tích tần số chu kỳ kết cấu nhịp STT Kết cấu nhịp U D Phƣơng Thiết bị Tần số f (Hz) Chu kỳ T (s) Dọc cầu A47492 8,80 0,114 Ngang cầu A47490 17,00 0,059 Thẳng đứng A47488 5,20 0,192 Dọc cầu A47490 8,90 0,112 Ngang cầu A47488 22,00 0,045 Thẳng đứng A47492 3,80 0,263 2 Nhịp Nhịp Nhận xét bảng 3.21: Chu kỳ dao động tự thẳng đứng không nằm phạm vi giới hạn 0.45s ÷ 0.60s chu kỳ dao động tự nằm ngang kết cấu nhịp không trùng bội số chu kỳ dao động tự thẳng đứng Do đó, ết cấu nhịp v đảm bảo điều kiện dao động 53 KẾT LUẬN CHƢƠNG (1) Từ kết phân tích tính tốn thể bảng 20, 23, 26,29, hệ số đ nh giá RF nằm phạm vi 0.3