1. 6 Điều tra các liên kết trong kết cấu thép và bêtông cốt thép
2.4.2. xét ứng suất
Các trị số đo ứng suất tại các điểm khác nhau của cấu kiện th−ờng khác nhau, ngay cả khi cấu kiện chỉ chịu lực dọc trục về mặt lí thuyết ( các thanh dàn chẳng hạn). Đó là do các mô men uốn trong mặt phẳng đứng hoặc mặt phẳng nằm ngang do độ cứng nút dàn
hoặc do ảnh h−ởng của các liên kết ngang.
Thông th−ờng chỉ đặt tenxơmet ở các điểm thuộc thế biên của mặt cắt cấu kiện nên cần căn cứ vào các trị số đo đó để vẽ ngoại suy biểu đồ ứng suất dọc cấu kiện tại mặt cắt đ−ợc đo.
2.5. các ph−ơng pháp vμ thiết bị đo thử động đối với cầu.
2.5.1. những vấn đề chung
Thông th−ờng nhất là sử dụng các xe ô tô thử hoặc đoàn tầu thử để thử động đối với
cầu. Công tác này cho phép xác định tần số và biên độ dao động c−ỡng bức của kết cấu
nhịp và hệ số xung kích lớn nhất, phát hiện ra các vị trí yếu của kết cấu và điều kiện thông xe an toàn nhất hoặc bất lợi nhất của cầu.
Các tác động của hoạt tải phụ thuộc vào đặc tr−ng động học của chính hoạt tải đo và mức độ giống nhau của tần số dao động do hoạt tải này gây ra với tần số riêng của kết cấu nhịp.
Các thực nghiệm cho thấy hầu nh− chu kỳ dao động c−ỡng bức của kết cấu nhịp trùng vời chu kì dao động riêng của tải trọng. Dao động của ô tô có thể coi nh− dao động của một
vật nặng trên lò xo. Qua thí nghiệm nhiều loại ô tô ng−ời ta thấy chu kì dao động của
khung xe, th−ờng trong khoảng 0,26 - 0,43 giây dao động phần d−ới lò xo là 0,08 - 0,13 giây. Dao động riêng của ô tô gây ra lần l−ợt chu kì các lần v−ợt tải và giảm tải cho kết cấu
cầu, đó chính là nguyên nhân gây ra dao động c−ỡng bức. Đối với cầu nhịp ngắn thì dao
động đó lại xuất hiện chủ yếu do dao động của phần bên d−ới lò so xe.
Tác dụng động học khi xe xích qua cầu đ−ợc gây ra bởi các va đập nhịp nhàng của
các đốt bánh xích trên mặt cầu, va đập của các chôt bánh xích và của phần khối l−ợng bên trên lò so. tần số dao động của các đốt bánh xích phụ thuộc vào tốc độ xe xích.
Các thực nghiệm cho thấy một xe ô tô hoặc một xe xích qua cầu thì gây tác dụng động học lớn hơn khi cả đoàn xe ô tô đó qua cầu. Vì vậy ng−ời ta lấy tải trọng để thử động cầu chỉ là một xe ô tô nặng hoặc một xe ô tô chạy qua cầu với lần l−ợt các tốc độ khác nhau.
Trên các cầu có độ cứng nằm ngang nhỏ trong h−ớng dọc cầu, ví dụ cầu khung có trụ mảnh nên thử một xe chạy rồi hãm đột ngột trên cầu. Trên các cầu có độ cứng nằm ngang nhỏ (cầu hẹp, cầu khung cao, cầu treo) cũng nên thử tải động bằng các tải trọng ngang nằm ngang đ−ợc tạo ra bằng cách quay xe xích trên mặt cầu.
Các đặc tr−ng động học của mỗi lần thử động đ−ợc ghi lại nhờ các máy đo động đ−ợc đặt ở những vị trí có độ võng lớn nhất. Các máy ghi dao động lên băng giấy hoặc lên phim, lên băng từ.
Các máy đo những chuyển vị thẳng theo thời gian gọi là các vibromet còn máy đo chuyển vị góc theo thời gian gọi là torsiômet.
Các máy đo quan hệ giữa biên độ và tần số dao động với tốc độ xe chạy gọi là các máy đo biên độ hoặc máy đo tần số.
Có hai nguyên tắc để đo dao động là nguyên tắc động học và nguyên tắc động lực học. Theo nguyên tắc thứ nhất thì máy đo d−ợc liên kết cứng với một hệ cố định độc lập bên ngoài và trị số chuyển vị của kết cấu đang dao động đ−ợc đo trực tiếp. Theo nguyên tắc thứ hai thì khi không thể tạo ra đ−ợc một hệ cố định thực ng−ời ta đo chuyển vị so với một hệ cố định qui −ớc, đó là một khối nặng gắn trên lò so.
Các máy đo động có thể đ−ợc phân thành ba nhóm là: kiểu cơ, kiểu điện, kiểu quang. Trong các máy đo kiểu cơ thì việc ghi lại sự thay đổi biến dạng đ−ợc thực hiện nhờ các bộ phận cảm biến (đattric) và ghi hay nhìn lên năm hiệu sóng của máy hiệu sóng (oxylograph).
2.5.2. máy đo geiger
Khi máy đo này hoạt động theo nguyên tắc động học thì cần đến một liên kết cứng hoặc liên kết dây giữa một điểm cố định mặt đất và một điểm cố định dao động. Mặt khác khi máy đo này hoạt động theo nguyên tắc động lực học thì không cần đến liên kết nói trên. Đối với tr−ờng hợp thứ nhất thì máy sẽ ghi dao động lên băng giấy, theo đ−ờng cong vẽ trên giấy đó có thể xác định biến dạng biên độ và tần số dao động.
Đối với tr−ờng hợp thứ hai thì trong máy có lắp thêm một hệ cố định qui −ớc nhỏ dạng con lắc lò so. Theo các đ−ờng ghi trên băng giấy có thể xác định gần đúng biên độ và xác định chính xác hơn đối với tần số dao động.
Sơ đồ nguyên tắc của máy ghi dao động theo nguyên tắc động lực học nh− hình vẽ
12-25. Sự biến đổi độ võng dàn đ−ợc truyền qua dây treo 1 (lò so 4 để căng dây 1) qua đòn bẩy hình rồi qua kim truyền 3, qua đòn bẩy bút ghi 5 và đ−ợc ghi trên băng giấy 7. Đồng thời trên băng có ghi vạch thời gian từng giây.
Bộ phận ghi của máy có một cơ cấu kiểu đồng hồ làm quay băng giấy rộng 50mm. Tốc độ di chuyển băng có thể điều chỉnh đ−ợc trong phạm vi từ 0.2 đến 10mét/phút. Có thể khuyếch đại dao động đ−ợc ghi lên 3, 6 hoặc 12 lần so với trị số thực tế. Ngoài ra còn có thể tăng hay giảm tỉ lễ xích ghi bằng cách thay đổi cánh tay đòn bẩy hình .Tỉ lệ xích thông th−ờng của máy là từ 0.5 : 1 đến 72 : 1. Có thể dùng máy ghi để ghi các biến dạng với tần số dao động đến 20Hz.
Máy đo có thể đ−ợc đặt trên giá cố định với mặt đất hoặc đặt ngang trên kết cấu nhịp (hình 2-24). Dây treo có thể thả xuống đáy sông nhờ một quả nặng ít nhất 10KG. Nói chung nên −u tiên đặt máy đo trên giá cố định mặt đất thì chính xác hơn.
Sơ đồ máy đo theo nguyên tắc động lực học nh− hình vẽ 2-26. Máy đ−ợc lắp thêm một con lắc 1 có lò so. Khi máy dao động cùng với kết cấu nhịp thì do trọng l−ợng nặng của con lắc có thể coi con lắc là một hệ cố định qui −ớc. Chuyển vị của vỏ máy so với con lắc đó đ−ợc truyền để ghi qua đòn bẩy 2 và 3 và kim truyền 4 đến ngòi bút ghi 5. Máy đo này có thể ghi đ−ợc các dao động với tần số từ 5 đến 330Hz.
Hình 2-23. Sơ đồ đặt máy ghi dao động có dây nối với điểm cố định trên mặt đất.
1-Dây nối; 2-Đòn bẩy hình; 3-Cần đẩy kim ghi; 4-Băng giấy ghi dao động; 5-Vạch đếm thời gian; 6-Kim ghi; 7-Lò so. 4 5 6 3 2 7 1
Hình 2-24. Sơ đồ đặt máy ghi dao động ở trên kết cấu nhịp có dây thả vật nặng
xuống sông.
1-Vật nặng; 2-Dây; 3-Máy Gây-gher; 4-Lò so.
3 4
2
Hình 2-25. Máy đo vạn năng kiểu Gây-gher.
a-Dạng chung, b-Nhìn phía cạnh.
1-Đế máy; 2-Đòn bẩy lên giây cót cơ cấu kéo băng ghi; 3-Kim ghi; 4-Bộ từ tr−ờng để đánh dấu thời gian; 5-Bàn ghi; 6-Trục uốn giữa băng; 7-Trục thu băng; 8-Trục nhả băng;
9-Thanh truyền; 10-Đòn bẩy điều chỉnh tốc độ nhả băng; 11-Đòn bẩy khởi động cơ cấu kéo băng.
Hình 2-26. Máy ghi dao động kiểu Gây-gher.
Hình 2 - 27 Lắp máy ghi dao động thẳng đứng ở đáy của dầm cầu
2.5.3. các máy đo dao động kiểu dùng đIện
Thực chất, đó là tổ hợp của bộ cảm biến (đát-tríc) với các thiết bị đo điện. Các bộ cảm biến có khả năng biến đổi các chuyển vị t−ơng đối giữa các bộ phận kết cấu hoặc các sự thay đổi theo thời gian của ứng suất, của tốc độ gia tốc chuyển vị tại các điểm riêng lẻ của kết cấu thành các đại l−ợng điện và truyền về máy đo điện.
Trên hình 2-28 a, b là sơ đồ đo dao động thẳng đứng của kết cấu nhịp nhờ dùng bộ cảm biến kiểu một dầm công xon ngắn có dán các đát-tric điện trở.
Trên hình 2-28 c, d là sơ đồ đo dùng bộ cảm biến kiểu vòng thép.
Những biến đổi của dòng điện lúc đo đạc trong phần đ−ờng chéo của cầu đo điện trở đ−ợc ghi lại bằng máy oxyclograph lên phim ảnh.
Khi sử dụng các dây căng nh− hình vẽ cần phải xét ảnh h−ởng của biến dạng do nhiệt độ, còn trong tr−ờng hợp đo các chuyển vị lớn thì phải xét cả đến các biến dạng có liên quan đến sự thay đổi độ căng dây trong quá trình đo vì dầm dao động lên xuống.
2 3 1 4 5 T2 T1 R4 R1 R2 3 R a) b) 3 1 4 T2 T1 T1 T4 T3 2 T c) d) 1 T 2 T 4 T 3 T
Hình 2-28. Các sơ đồ dao động có dùng các bộ cảm biến điện trở.
a, b-Khi dùng dầm công xon ngắn có dán lá điện trở; c, d-Khi dùng vòng thép có gắn lá điện trở.
1-Dây nối xuống đất; 2-Dầm công xon ngắn; 3-Lò so; 4-Cọc neo; 5-Cọc giữa dầm công xon; T1, T2, T3, T4-Các ten-xơ-mét kiểu lá điện trở. -Bộ ghi dao động
(oxyclograph).
2.6. xác định các đặc tr−ng cơ lý vμ tính chất của vật liệu.
Khi tính toán đánh giá khả năng chịu tải và trạng thái kĩ thuật của cầu cống cũ rất cần có các trị số đặc tr−ng cơ lí của vật liệu trong kết cấu thực. Việc xác định các trị số này nói chung là khó đạt độ chính xác cao. Thông th−ờng tr−ớc tiên cần tham khảo hồ sơ thiết kế hay hồ sơ hoàn công cũ để biết các đặc tr−ng ban đầu của vật liệu. Tuy nhiên ở Việt Nam các hồ sơ này th−ờng không đủ hoặc không có.
Các thí nghiệm vật liệu phải đ−ợc kết hợp thực hiện ở cả trong phòng thí nghiệm và cả ở trên kết cấu thực. Các thí nghiệm trong phòng cho kết quả chính xác cao hơn nh−ng lại phụ thuộc việc lấy mẫu thử từ kết cấu có làm đ−ợc hay không. Số mẫu lấy ra cũng bị hạn chế. Các thí nghiệm ngay trên kết cấu thực sẽ cho các thí nghiệm trong phòng, có thể thực hiện nhanh chóng hơn, nhiều số liệu thu đ−ợc hơn nh−ng có thể là kém chính xác hơn.
Đa số các thí nghiệm trong phòng thuộc loại thí nghiệm có phá hủy mẫu thử, đa số các thí nghiệm trên kết cấu thực thuộc loại thí nghiệm không phá huỷ mẫu và dùng các cách đo gián tiếp.
2.6.1. kim loại
Tr−ớc khi thí nghiệm cần xác định rõ loại vật liệu bằng kim loại, ví dụ đó là gang, sắt mềm (đối với các cầu thép cũ do Pháp để lại), thép th−ờng, thép hợp kim thấp v.v… Các thí nghiệm kim t−ơng sẽ trả lời chính xác vấn đề phân loại vật liệu kim loại.
Khi lấy mẫu kim loại từ kết cấu cầu cũ phải có biện pháp hợp lí sao cho không làm suy yếu quá nhiều đến sức chịu lực của kết cấu. Tại chỗ đã cắt khoét lấy mẫu ra phải đặt các bản thép bù và liên kết bằng hàn hoặc liên kết bulông c−ờng độ cao ngay. Miếng mẫu kim loại đã lấy ra phải đ−ợc gia công sao cho mẫu thí nghiệm có các đ−ờng biên lùi vào ít nhất 10mm so với mép vết cắt bằng nửa lúc lấy mẫu.
Mẫu thử kim loại phải đ−ợcgia công theo đúng các “Tiêu chuẩn thí nghiệm vật liệu” do Bộ GTVT và Bộ Xây dựng ban hành. Nói chung mẫu để thí nghiệm về giới hạn bền (c−ờng độ phá hủy tức thời) giới hạn chảy, độ dãn dài t−ơng đối hay độ co ngắn t−ơng đối của kim loại thép có dạng nh− hình 2-29a, mẫu để xác định độ dai va chạm đ−ợc cắt lõm nh− hình 2-29b. 41 61 6 R1,5 12 2+0,1 2 10+0,2 27,5 55 R1 10+0,1 a) b)
Hình 2-29. Ví dụ loại mẫu thử để xác định các đặc tr−ng cơ học của thép.
a) Mẫu th−ờng; b) Mẫu thử độ dai va đập.
Mỗi loại thí nghiệm phải có ít nhất ba mẫu giống nhau các mẫu thử có thể đ−ợc phân tích hoá học và phân tích phổ nếu thấy cần thiết.
Do đặc điểm của công nghệ cán thép, đặc tr−ng cơ lí của kim loại cán theo h−ớng dọc
chiều cán và theo h−ớng ngang chiều cán sẽ không giống nhau. Vì vậy lúc lấy mẫu phải
đánh dấu rõ h−ớng tác động chủ yếu của lực trên mẫu đó nh− lúc nó ở trong kết cấu thực. Để thí nghiệm nhanh chóng đối với thép ở trên kết cấu thực ng−ời ta th−ờng dùng ph−ơng pháp đập bi tạo vết lõm trên bề mặt thép. Ph−ơng pháp này cho biết độ cứng của
kim loại để từ đó suy ra giới hạn c−ờng độ của nó với độ tin cậy chấp nhận đ−ợc. Tuy nhiên nếu muốn suy diễn ra trị số giới hạn chảy thì không đủ tin cậy. Sai số xác định giới hạn c−ờng độ dựa vào thí nghiệm xác định độ cứng bề mặt thép vào khoảng 7%, còn nếu suy diễn từ giới hạn c−ờng độ đó ra giới hạn chảy thì sai số lớn đến 30%.
Việc thí nghiệm độ cứng có thể làm theo thí nghiệm Brinell hoặc thí nghiệm Rockwell.
Thí nghiệm Brinell:
Tạo một tải trọng 3000kg cho vật liệu cứng và 1500kg hay 500kg cho các mặt cắt
mỏng hay vật liệu mềm, tác dụng thông qua một viên bi cứng có đ−ờng kính 10mm để gây
ra vết lõm trên bề mặt vật liệu. Đ−ờng kính trung bình của vết lõm là cơ sở để tính ra độ cứng Brenell (HB) theo công thức:
HB = P/[(-D/2)(D- D2 d2 ) (2-16) Trong đó: HB - Số đo cứng Brinell. P - Tải trọng tác dụng (kg). D - Đ−ờng kính viên bi thép. d - Đ−ờng kính trung bình của vết ấn, (mm).
Tiêu chuẩn AASHTO T244-90 và ASTM A 370-88 của Mỹ cho sẵn các bảng tra đã đ−ợc tính sẵn theo công thức trên. Ng−ời ta đã chế tạo máy đo độ cứng Brinell xách tay để làm thí nghiệm dễ dàng tại vị trí cầu.
Thí nghiệm Rockwell:
Trong thí nghiệm này, trị số độ cứng đ−ợc đọc trực tiếp từ máy đo. Độ cứng đ−ợc xác
định căn cứ vào chiều sâu vết ấn của đầu nhọn kim c−ơng hoặc của viên bi thép vào vật
liệu. Tr−ớc tiên gia tải bằng tải trọng phụ 10kg để tạo vết ấn ban đầu và đ−a đầu ấn lên rồi giữ nó đúng vị trí trên mặt vật liệu. Tải trọng chính phụ thuộc vào thang đo đ−ợc sử dụng và đ−ợc gia tải dần sẽ làm tăng dần độ sâu vết ấn. Sau đó bỏ tải trọng chính nh−ng vẫn duy trì tải trọng phụ, trên máy đo sẽ cho biết trị số độ cứng Rockwell.
Dựa vào trị số độ cứng bề mặt, có thể theo công thức thực nghiệm suy ra hàm l−ợng Các bon trong kim loại một cách gần đúng theo dãy số so sánh sau:
-Hàm l−ợng C,% 0.05 0.15 0.20 0.30 0.40 0.50
2.6.2. bêtông
Nói chung độ chính xác của việc thí nghiệm c−ờng độ bêtông trên kết cấu cũ th−ờng không cao do bêtông không đồng nhất và suy thoái theo thời gian một cách không đồng đều. Ngoài ra còn có ảnh h−ởng của vết nứt, độ ẩm −ớt, cốt thép trong bêtông v.v…
Để thí nghiệm trong phòng phải khoan lấy mẫu bêtông rồi gia công thành hình trụ tròn đ−ờng kính 70-150mm từ kết cấu cầu thực. Nh− vậy lỗ khoan trên kết cấu khá lớn và nếu cầu đang khai thác thì th−ờng không đ−ợc phép khoan trên dầm. Chỉ có thể lấy mẫu từ các khối xây to lớn của mố trụ.