1.1 .Tổ chức quản lý khai thác cầu
1. 6 Điều tra các liên kết trong kết cấu thép và bêtông cốt thép
2.7.1- Ph−ơng pháp âm thanh
Ph−ơng pháp này sử dụng sóng đàn hồi ở dải tần rộng. Tuỳ theo tần số dao động đàn hồi có thể phân loại:
- Sóng hạ âm (tần số 20Hz)
- Sóng âm thánh nghe đ−ợc (tần số 20 Hz đến 20 kHz) - Sóng siêu âm (tấn số từ 20 kHz trở lên)
Nh−ng chỉ có sóng âm thanh và siêu âm là dúng đ−ợc trong công tác chuẩn đoán bên trong. Các sóng đàn hồi ở dải tần siêu âm có thể đ−ợc phát ra liên tục hoặc ngắt quảng từng sung. Siêu âm có thể áp dụng cho kiểm tra không phát huy mẫu đối với các bộ phận kết cấu làm bằng bất cứ loại vật liệu nào. Để phát hiện khuyết tật ẩn giấu phải căn cứ vào sự phản xạ và khuyết tán của các sóng siêu âm khi gặp sự bất th−ờng trên con đ−ờng mà sóng đi qua (ví dụ đó là các lỗ rỗng, các vết nứt ngầm, các chỗ bị phân lớp v.v...) hoặc khi đi qua môi tr−ờng không đồng chất.
Tần số siêu âm thông dụng trong chẩn đoán là từ 0,5 đến 255 MHz. Có thể đo sóng xuyên hoặ sóng phản xạ từ bề mặt.
Trên hình 2-32 giới thiệu sơ đồ khồi của máy dò khuyế tật đơn giản hoạt động theo nguyên lý tiếng vọng âm.
1 2 3 5 D 6 4 a b 7
Hình 2-32. Sơ đồ khối của máy đo khuyết tật
a- Bề mặt truyền sóng âm; b- Bề mặt đối diện; D- Khuyết tật;
I- Biểu diễn khuyết tật trên màn hình; 1- Bộ đồng bọ dao động; 2- Bộ phát xung; 3- Bộ phát quét; 4- Đầu dò vừa thu vừa phát; 5- Máy thu; 6- Bộ chỉ thị màn hình;
7- Kết cấu bê tông
Để kích động những dao động đàn hồi có thể dùng các bộ cảm biến kiểu áp điện hoặc kiểu từ điện. Muốn cho sóng siêu âm từ đầu dò đến bề mặt kết cấu một cách thuận lợi cần phải bôi mỡ công nghiệp lên chỗ tiếp xúc.
Các khuyết tật ẩn giấu bên trong kết cấu thép và kết cấu BTCT th−ờng đ−ợc phát hiện bằng ph−ơng pháp âm vọng hoặc ph−ơng pháp xung. Trên hình 2-32 giới thiệu sơ đồ của một thiết bị âm vọng đơn giản.
Nếu trên đ−ờng đi qua của tín hiệu siêu âm gặp một khuyết tật nh− lỗ rỗng chẳng hạn thì sức cản âm đó sẽ khác với sức cản bình th−ờng của vật liệu kết cấu này, gây ra các đỉnh nhọn trên màn hình hiện sóng. Sau khi đó đ−ợc thời gian, tốc độ và h−ớng đi của sóng siêu âm chúng ta có thể suy đoán vị trí và độ lớn của lỗ rỗng ẩn giấu. Căn cứ vào sự biến đổi đột ngột của tốc độ truyền sóng siêu âm trong các phần khác nhau của kết cấu chúng ta có thể suy đoán đ−ợc về mặt độ bê tông, các vết nứt v.v...
Các khuyết tật và h− hỏng trong mối hàn có thể phát hiện bằng máy siêu âm bằng các đầu dò hình lăng trụ đặt sao cho phát ra các sóng nghiêng 30o - 60o (hình 2-33). Dùng tay đ−a đầu dò và trên mối hàn theo một quỹ đạo hiện sóng nh− hình vẽ thể hiện. Khi đến chỗ có khuyết tật thì trên màn hình sẽ hiện lên xung nhô cao, đồng thời máy phát ra tín hiệu ánh sáng và cói báo động. Để xác định đ−ờng biên bao quanh khuyết tật phải dùng tay đ−a
trên màn hình cho đến lúc nào mà biên độ A của xung trên màn hình giảm xuống còn một nửa so với lúc đầu. Vị trí lúc đó của đầu dò sẽ t−ơng ứng với một điểm trên biên bao quanh khuyết tật.
Ph−ơng pháp xung siêu âm cũng có thể dùng rất tiện lợi để theo dõi lâu dài sự biến động của cấu trúc và c−ờng độ bê tông.
L T P 1 2 A /2 A A /2 3 h2 h 1 l1 l2 l'1 l'2 β
Hình 2-33 . Sơ đồ xác định h− hỏng trong mối hàn
1- Đầu dò; 2- Quỹ đạo rà quét của đầu dò;
3- Đậc tính xung hiện trên màn hình ứng với các vị trí đo vẽ của đầu dò.
Ph−ơng pháp phát xạ âm thanh đ−ợc dùng để phát hiện các khuyết tật và h− hỏng ẩn giấu để thu l−ợm thông tin về các quá trình diễn ra bên trong vật liệu v.v... Ph−ơng pháp này dựa trên sự ghi nhận các sóng âm thanh xuất hiện trong vật thể cứng khi biến dạng dẻo và có các nứt. Thực chất của ph−ơng pháp nh− sau. Trên bề mặt kết cấu đặt một vài đầu dò có khả năng nhạy cảm đối với các biến dạng tr−ợt hoặc các sóng bề mặt, hoạt động ở tần số 1 - 3 MHz. Trong quá trình chịu lực sẽ xuất hiện các biến dạng lớn trong kết cấu và vết nứt. Điều này thể hiện qua sự phản xạ của sóng ứng suất có đặc tính xung. Sóng này đ−ợc đi, đầu dò thu nhận và từ đó ta có thể đoán ra đ−ợc khuyết tật hay h− hỏng.
Trên hình 2-34 nêu sơ đồ nguyên lý của máy phản xạ âm thanh. Đầu dò 1 thu sóng phản xạ,, truyền qua bộ khuyếch đại 2 rồi đi vào bộ loạc điện tử 3 để tách tín tần số thấp, sau đó đi đến bộ khuyếch đại 4 rồi rẽ 2 nhánh, một nhánh vào khối điều chỉnh 5, một nhánh vào bộ tách sóng8. Từ bộ tách sóng 8 tín hiệu đi vào bộ ghi lên băng từ 7. Nguồn cung cấp điện là 6.
Hình 2-34. Sơ đồ khối của thiết bị phản xạ âm thanh
1- Đầu dò; 2- Bộ tiền khuyếch đại; 3- Bộ lọc điện tử; 4- Bộ khuyếch đại;
5- Khối điều chỉnh; 6- Nguồn điện; 7- Thiết bị ghi băng từ; 8- Bộ tách sóng
1 2 6 7 3 8 4 5 2.7.2. Ph−ơng pháp từ tr−ờng
Ph−ơng pháp này dùng để phát hiện khuyết tật và h− hỏng ẩn giấu trong các vật liệu có thể nhiễm từ, xác định độ dày lớp bê tông bảo hộ cho cốt thép, đo độ đầy lớp sơn phủ kết cấu thép v.v... Nguyên lý của ph−ơng pháp này dựa vào sự phát triển mức độ biến đổi của dòng từ đị qua vật thể. Các bột sắt hoặc dung dịch bột sắt trộn dung môi (ví dụ dầu hoả) đ−ợc bôi lên bề mặt kết cấu. D−ới tác động của từ tr−ờng ở nơi có sắt sẽ phân bố theô một dạng khác th−ờng ở nơi có khuyết tật hay h− hỏng ẩn giấu bên d−ới.
Một ph−ơng pháp khác có hiệu quả hơn là dùng các đầu dò kiểu từ điện có lôi phe rít và dây đồng và dây đồng cuốn quanh. Từ tr−ờng đ−ợc tạo ra sẽ có dạng chữ U nh− hình vẽ 2-35. Khi dùng tay và quét đầu dò trên bề mặt kết cấu, bằng cách đó sức điện động có thể suy đoán và khuyết tật trong kết câu.
Sơ đồ thiết bị vẽ trên hình 2-35 để xác định vị trí cốt thép nằm trong bê tông, đo chiều dầy lớp bê tông bảo hộ và đo đ−ờng kính cốt thép đó. Bộ cảm biến từ điện 1 đ−ợc đ−a rà quét trên bề mặt kết cấu bê tông cốt thép. Trong hộp máy của thiết bị còn có một bộ cảm biến 2 t−ơng tự nh−ng thêm tấm rung nhiễm từ 3, có tác dụng thay đổi độ cản kháng khi ta điều chỉnh cân bằng sơ đồ. Tuỳ theo mức độ xa gần từ bộ cảm biến 1 đến thanh cốt thép năm f sâu trong bê tông mà mức độ dầy lớp bê tông bảo hộ và đ−ờng kính cốt thép. Dùng tay đ−a đầu dọc theo cốt thép đến chỗ phát hiện thấy vị trí số đô nhỏ nhất thì đó là điểm giao nhau của hai thanh cốt thép.
Hình 2-35. Thiết bị kiểu điện cảm để dò cốt thép và đo chiều dày bê tông bảo hộ
1-Bộ cảm biến ngoài (đầu dò); 2- Bộ cảm biến trong hộp máy; 3- Bản để điều chỉnh cảm kháng; 4- Đồng hồ đo sức điện động; 5- Thanh cốt thép; 6- Cấu kiện BTCT 3 2 1 4 5 6
2.7.3- ph−ơng pháp tia rơn ghen và ph−ơng pháp tia gama
Hai ph−ơng pháp này có thể dùng dò khuyết tật cho bất cứ loại vật liệu nào: gỗ, thép, BTCT, polyme v.v... Có thể dùng chúng dò vị trí cốt thép và đ−ờng kính của nó trong bê tông. Các tia phóng xạ này đi qua vật và đ−ợc chụp bằng phim ảnh. Khả năng xuyên của tia y và tia Rơn ghen tuỳ thuộc mật độ của vật liệu, chiều dày kết cấu v.v... Nếu gặp khuyết tật h− hỏng nh− lỗ rỗng, vết nứt thì khả năng xuyên qua của tia sẽ mạnh hơn, trên phim ảnh sẽ có các vùng tối đậm khác nhau. Phân tích ảnh chụp sẽ cho ta suy đoán về khuyết tật nh− bác sỹ xem phim chụp X quang.
Nói chung việc sử dụng các ph−ơng pháp này còn hạn chế ở Việt Nam và cần đặc biệt chú ý đảm bảo an toàn phóng xạ.
2.8. Xử lý kết quả đo và phân tích kết luận
Công việc này đòi hỏi trình độ kiến thức và kinh nghiệm nhiều năm của kỹ s− thanhh tra. Th−ờng áp dụng các ph−ơng pháp xử lý thống kê số liệu đo đạc. nh− đn đ−ợc học ở môn học toán thống kê xác suất. Tuy nhiên nếu có ít số liệu thì ph−ơng pháp này không áp dụng đ−ợc.
Nói chung th−ờng cần phân tích các số liệu đo sau:
- Số liệu thử c−ờng độ bê tông (bằng các ph−ơng pháp khác nhau)
- Số liệu đo độ võng các dầm chủ d−ới tác dụng của hoạt tải xếp lệch để suy ra hệ số phân bố ngang hoạt tải.
- Số liệu điều tra và đo độ rộng, độ dài các vết nứt bê tông các vết nứt trên kết cấu thép.
- Số liệu đo góc xoay ở các mối dầm thép. - Số liệu đo biến dạng và ứng suất.
- Số liệu đo dao động để suy ra trị số của hệ số xung kích (1+à) và chu kỳ dao động riêng T của kết cấu nhịp.
- Số liệu thí nghiệm vật liệu thép và cốt thép (nếu có)
Trong phạm vi tài liệu này chỉ giới thiệu một số vấn đề xử lý kết quả chủ yếu.
2.8.1. Hệ số phân bố ngang hoạt tải
Căn cứ vào kết quả đo đọ võng giữa nhịp cầu của các dầm chủ (dàn chủ) d−ới tác dụng hoạt tải xếp trên cầu theo một cách nào đó (hoặc chính giữa phần xe chạy, hoặc lệch về th−ợng l−u, hoặc lệch về hạ l−u) có thể tính ra hệ số phân bố ngang của từng dầm chủ đó t−ơng ứng cách xếp tải đn thực hiện.
Công thức tính toán là: Ki = ∑n j i y y 1 (2-17) Trong đó:
Ki - Hệ số phân bố ngang của dầm (dàn) của thứ i yi - Độ võng của dầm thứ i
∑n yj
1
- Tổng độ võng của tất cả các dầm (dàn) chủ n - Số l−ợng dầm (dàn chủ)
Khi tính toán lại kết cấu cần phải sử dụng hệ số phân bố ngàn thực tế này chứ không dùng trị số tính toán lý thuyết nữa.
2.8.2. xử lý số liệu do ứng biến
Căn cứ kết quả đo bằng ten-xơ-mét cơ hay ten-xơ-mét điện, đối với kết cấu thép nh− thanh dầm thép có thể suy diễn ra ứng suất hoạt tải theo định luật Hook:
Tuy nhiên đối với kết cấu bê tông việc suy diễn này phải thận trọng và chỉ có ý nghĩa tham khảo ở mức độ gần đúng vị trí số mô đuyn đàn hồi thực tế của bê tông cầu cũ nói chung là không xác định đ−ợc đúng. Mặt khác ngay cả đối với phần bê tông chịu nén của mặt cắt, việc suy diễn ứng suất hoạt tải theo công thức trên cũng g−ợng ép vì quan hệ tuyến tính gi−a ơ và ọ đối với bê tông chịu nén chỉ đúng khi ứng suật ơ ≤ 0,2 Ru. Trong các cầu thực tế cũ ứng do riêng tĩnh tải cũng đn có thể v−ợt quá trị số 0,2 Ru. Vì vậy khi có thêm hoạt tải nữa thì quan hệ ơ và ọ càng không đủ căn cứ để coi là tuyến tính nữa.
Đối với bê tông vùng chịu kéo, công thức định luật Hook hoàn toàn không thể áp dụng đ−ợc. Vì vậy kết quả đo ọ ở vùng này cần xem xét kỹ có thể cọi đó là phép đo độ rộng vết nứt chứ không phải là đo độ dnn kéo dài t−ơng đối ọ.
Để nói về ứng suất trong cốt thép chịu kéo, nhất thiết phải đục bỏ lớp bê tông bảo hộ và gắn ten-xơ-mét cơ học hoặc lá điện trở vào trực tiếp cốt thép nhằm đo trị số ọ của nó. Từ đó có thể dùng định luật Hook để tính ra ứng suất cốt thép đ−ợc.
Hiện nay trong công tác đo cầu ở Việt nam còn rất hnn hữu bố trí đo theo trạng thái ứng suất phẳng mà th−ờng chỉ đo theo trạng thái ứng suất đ−ờng. Đối với các thanh dàn chịu lực dọc trục cũng nh− đối với các bản cánh dầm, đo nh− vậy là tạm đủ nh−ng đối với phần bản bụng dầm, bản nút dàn và những tr−ờng hợp mà trạng thái ứng suất phẳng thể hiện rõ thì phải bố trí các xen tơ mét cơ học hoặc lá điện trở theo các h−ớng khác nhau để từ kết đo suy ra trị số và h−ớng của các ứng suất chính.
Xét ví dụ một mặt cắt ngang cấu kiện nh− hình 2-31 đn đặt các ten-xơ-mét để đo biến dạng thớ tại các điểm 1, 2, 3, 4 là ọ1, ọ2, ọ3, ọ4. Theo định luật Hook suy ra cá trị số ứng suất ơ1, ơ2, ơ3, ơ4. Căn cứ các đặc tr−ng hình học mặt cắt (F, Ix, Iy, x1, x2, x3, x4, y1, y2) và biểu đồ ứng suất nh− hình vẽ.
Ta lập đ−ợc ph−ơng trình: ọ1E = ơ1 = F N + Ix y Mx. 1 - Iy x My. 1 (2-19) ọ2E = ơ2 = F N + Ix y Mx. 1 - Iy x My. 2 (2-20) ọ3E = ơ3 = F N + Ix y Mx. 2 - Iy x My. 3 (2-21) ọ4E = ơ4 = F N + Ix y Mx. 2 - Iy Myx4 (2-22)
Khi giải hệ này ta tìm đ−ợc các nội lực N, Mx, My. ở đây có 4 ph−ơng trình mà chỉ có 3 ẩn số nên chúng ta có khả năng kiểm tra độ chính xác của phép đo đn thực hiện. Muốn
Ví dụ giải hệ 3 ph−ơng trình 1,2,3 thì tìm đ−ợc N1, Mx1, Mx2 còn khi giải hệ 3 ph−ơng trình 2, 3, 4 lại đ−ợc N2, Mx2, My2. Chênh lệch giữa các trị số N1 với N2, Mx1 với Mx2, My1 với My2 sẽ suy đoán về sai số đo đạc và ảnh h−ởng của các yếu tố nh− cong vênh cục bộ, ứng suất tập trung, mô men xoắn v.v... Tóm lại để đánh giá sai số đo đạc thì phải tăng số l−ợng điểm đo biến dạng nhiều hơn số l−ợng các yếu tố nội lực cần tính.
2.8.3. Xử lý kết quả đo động
Khi thử tải động đối với cầu, kết quả đo đ−ợc ghi lên băng giấy hoặc phim d−ới dạng biểu đồ dao động nh− hình 2-36,
Hệ số xung kích thực tế đ−ợc suy ra từ kết quả đo theo công thức sau:
( 1+ à ) =
y
ymax
(2-23)
Trong đó: ymax - Độ võng lớn nhất khi hoạt tải chạy qua y - Độ võng tĩnh khi hoạt tải đứng yên
Mỗi tốc độ xe thử chạy qua cầu sẽ cho một vị trí số ( 1+ à ) riêng. Do đó khi thử đầu phải cho xe chạy với vài tốc độ khác nhau 20, 25, 35, 45 km/h lần l−ợt. Thông th−ờng trên cầu ôtô hệ số xung kích lớn nhất ứng với tốc độ từ 25 – 35 km/h.
Để tìm độ võng y phải vẽ thêm đ−ờng trung bình lên biểu đồ độ võng nh− hình 2-32. Trên hình đó cũng giải thích cách xác định các thời điểm xe ra vào cầu.
Để xác định chu kỳ T và tần số f của dao động trên một đoạn biểu đồ dao động thì phải đếm số dao động n trên ứng với thời gian t rồi dùng các công thức sau:
T = n t ; f = t n = T 1 (2-24)
Công thức dùng chung cho cả khi xét dao động c−ỡng bức và dao động riêng. Muốn tính chu kỳ dao động riêng Tc để so sánh với trị số mà quy trình thiết kế cầu cho phép thì phải đếm đo trên đoạn c của biểu đồ (xem hình vẽ). Để đọc các băng ghi dao động phải có kính phóng đại với vạch chia cự ly đọc chính xác đến 0,1 mm.
Trong lúc nhận xét kết quả thử tải phải xét toàn diện tất cả các vấn đề. Chú ý phân