1. 6 Điều tra các liên kết trong kết cấu thép và bêtông cốt thép
2.2.4. Các ph−ơng pháp đo ứng suất trong các bộ phận kết cấu cầu
cầu
Trên kết cấu nhịp ng−ời ta th−ờng chọn các kết cấu và mặt cắt nào chịu tải nặng nhất để đo, cũng xét cả nhữnh nơi có khuyết tật.
Một vấn đề quan trọng là cơ sở của máy đo. Cơ sở của các ten-xơ-met kiểu cơ đạt ở ngoài vùng ứng suất tập trung đ−ợc lấy phù hợp với độ chính xác cần thiết và trị số đo lớn nhất dự kiến có thể xảy ra. Nên chọn sao cho với ứng suất lớn nhất thì kim quay gần hết
thang đo. Chẳng hạn nếu ứng suất cấu kiện thép thấp hơn 800kg/cm2 thì th−ờng lấy cơ sở bằng hay lớn hơn 100mm. Các ten-xơ-met điện có độ nhạy lớn hơn, để đo ứng suất ngoài vùng tập trung ứng suất có thể dùng cơ sở 10mm-30mm. Trong vùng tập trung ứng suất cần phải đo với cơ sở nhỏ (ví dụ bằng 1-5mm đối với cấu kiện bầng thép ). Mức độ phân bố úng suất càng không đều thì cơ sở của ten-xơ-met càng cần phải nhỏ.
Cần phải chú ý đến việc lắp đặt ten-xơ-mét. Chẳng hạn, khi đo ứng suất thớ nên đặt ten-xơ-mét ở ngoài vùng có thể có sự tập trung ứng suất. Đó là những vùng gần các lỗ đinh, lỗ khoét, gần nơi có sự thay đổi đột ngột của mặt cắt, vùng đầu mối hàn,những chỗ cong vênh cục bộ vv... trong cầu thép. Đối với cầu BTCT th−ờng có sự tập trung ứng suất ở chỗ thay đổi mặt cắt,chỗ tiếp xúc với s−ờn cứng chỗ đặt mấu neo. v.v...
Mặt cắt đ−ợc chọn để đặt ten-xơ-mét nên là mặt cắt phù hợp nhất với sơ đồ tính toán nghĩa là không có những phần mà khó xác định mức độ tham gia của chúng với sự chịu lực nh− bản giằng, bản đệm v.v...
Cách đặt máy đo trên mặt cắt đ−ợc chọn tuỳ theo đặc điểm trạng thái ứng suất và hình dạng mặt cắt. Số l−ợng tối thiểu cần thiết các ten-xơ-mét cần đặt trên mặt cắt là tuỳ theo đặc điểm làm việc của mặt cắt (số ten-xơ-mét phải bằng số các yếu tố lực). Chẳng hạn khi xác định lực dọc N, các mô men uốn và y, mô men xoắn Mz thì số l−ợng tối thiểu các điểm đo trong mặt cắt liền khối phải bằng 4. Đối với các mặt cắt tổ hợp, nơi mà các bộ phận riêng lẻ có thể bị dịch tr−ợt t−ơng hỗ so với nhau thì số l−ợng điểm đo phải tăng lên.
Hình 2-17. Sơ đồ đặt số l−ợng tối thiểu các ten-xơ-met trong mặt cắt ngang cấu kiện thép.
1,2. Khi có tác động lực dọc trục n. 3,4. Khi có lực N, Mx, My. 5,6,7. Khi có lực N, Mx, My, Mxoan
Trên hình 2-17 là sơ đồ bố trí số l−ợng tối thiểu các ten-xơ-mét trong các dạng mặt cắt khác nhau của cấu kiện thép. Đối với mặt cắt BTCT vì tình hình ứng suất phức tạp hơn nên cũng phải đặt nhiều ten-xơ-mét hơn so với cầu thép.
Đối với những chỗ có sự tập trung ứng suất, ngoài việc đo để biết trị số ứng suất lớn nhất max trong đó, còn cần phải xác định mức độ phân bố không đều của ứng suất thông qua hệ số tập trung ứng suất :
tc
max (2-11) Trong đó : tc - ứng suất danh định, đã d−ợc xác định theo diện tích mặt cắt thu hẹp.
Nh− vậy, để đánh giá sự tập trung ứng suất thì phải đặt ten-xơ-mét với cơ sở nhỏ tại vùng tập trung cực đại ứng suất (mép khoét lỗ, chỗ cắt lõm v.v…) với h−ớng của cơ sở trùng với h−ớng của dòng lực trong vùng đó của mặt cắt. Để biết tc th−ờng đo ứng suất theo diện tích thu hẹp tại vùng t−ơng ứngvới vùng tác động của max nh−ng ở cách xa một khoảng đủ xa để hết tình trạng tập trung ứng suất.
Đối với kết cấu BTCT cần phải đo ứng suất trong bê tông và cả trong cốt thép. Đo ứng suất bê tông th−ờng khó khăn vì thật khó xác định đúng môđuyn đàn hồi thực tế của bêtông ở đó. Trị số môđuyn này phụ thuộc vào nhiều yếu tố và thay đổi trong phạm vi khá rộng. Ngoài ra, vì bêtông là loại vật liệu đồng nhất, th−ờng có chỗ sứt vỡ, vết nứt nên các biến dạng do lực của bôtông th−ờng phân bố không đều. Nh− vậy,có sai số khi xác định ứng suất bêtông dựa trên trị số biến dạng thực đo đ−ợc. Muốn giảm ảnh h−ởng của h−ởng của các yếu tố nói trên cần phải đo ứng suất bêtông với ten-xơ-mét có cơ sở lớn ( 10cm).
ứng suất (biến dạng ) trong bêtông th−ờng đ−ợc đo bằng ten-xơ-mét kiểu cơ, đattric điện trở dây, đồng hồ chuyển vị v.v… thuộc các kiểu khác nhau. Còn khi thử động đối với cầu thì th−ờng dùng đat trich điện trở dây.
Các ten-xơ-mét đòn đ−ợc lắp thêm bộ phận phụ để tăng thêm chiều dài cơ sơ. Muốn tránh cho mũi tì của nó bị ngập sâu vào bề mặt bêtông lồi lõm th−ờng dán lên đó các bản thép mỏng cỡ 5 5mm.
Các tấm đattríc điện trở đựơc dán trực tiếp lên mặt bêtông tại chỗ không nứt vỡ, rỗ và bề mặt bằng phẳng.
ứng suất cốt thép có thể đo d−ợc bằng các dụng cụ nh− để đo cầu thép. Đo ứng suất trong cốt thép th−ờng (không có dự ứng lực) cũng giống nh− đo ở cấu kiện thép. Nh−ng đo dự ứng suất trong cốt thép dự ứng lực thì phải dùng các ph−ơng pháp phức tạp hơn. Chẳng hạn, có thể dán đattríc điện trở lên bó sợi cốt thép và đọc số đo. Sau đó làm cho chùng hết cốt thép, lại đọc số đo. Theo hiệu của các số đọc mà tính ra trị số ứng suất. Cách đo này không có ứng dụng thực tế với các kết cấu mà chỉ dùng khi làm thí nghiệm.
Một ph−ơng pháp khác là phải liên tục kiểm tra sự căng cốt thép từ lúc chế tạo cấu kiện qua các giai đoạn thi công. Tấm đattríc điện trở dán trên cốt thép sẽ cho phép theo dõi sự thay đổi ứng suất theo thời gian. Cách làm này gặp phải sai số của chính các máy đo điện vì chúng khó có thể làm việc ổn định liên tục suốt thời gian dài.
Có một số dụng cụ dùng để xác định dự ứng xuất cốt thép nhờ việc đo độ võng của nó : Ví dụ dụng cụ DIS - 1 của Nga (hình 2.18 )với cơ sở dài 300 mm dùng để kiểm tra các
sợi lẻ đ−ờng kính đến 6 mm. Có dụng cụ khác có cơ sở dài 160 mm dùng để đo các bó sợi
xoắn đ−ờng kính 9 - 15 mm và sợi lẻ đ−ờng kính đến 8 mm. Hoạt tải của dụng cụ này dựa trên việc xác định ứng suất lực cần thiết để uốn cong đ−ợc cốt thép. Dụng cụ gồm hai bản thép mỏng (một bản chính chịu lực và mọt bản phụ gắn với đồng hồ đo chuyển vị ), mũi kẹp cố định cột tỳ và mũi kẹp di động làm cho sợi cốt thép bị uốn cong cho đến khi kim quay của đồng hồ không quay nữa. Đọc số đo trên đồng hồ chuyển vị và dựa vào đồ thị chuẩn đã lập ra từ tr−ớc đối với dụng cụ này mà suy ra ứng lực trong sợi cốt thép. Để tăng hoá dụng cụ này với các cấp tải trọng khác nhau. Từ đó vẽ ra dụng cụ chuẩn của đồ thị này.
5 2 4 8 3 7 1 6
Hình 2-18. Đồng hồ đo lực căng DIS-1.
1. Bộ kẹp di động; 2. Thanh cần bằng thép; 3. Đồng hồ; 4. Cột tỳ; 5. Thanh nối dài; 6. Cột cơ sở; 7. Bộ kẹp cố định; 8. Sợi thép dự ứng lực.
2.3- các máy đo độ võng vμ đo chuyển vị thẳng.
Độ võng có thể đo bằng máy cao đạc, ống cao su đựng chất lỏng, các loại đồng hồ đo chuyển vị có dây nối với mặt đất hoặc có đầu tì tiếp xúc trực tiếp vào kết cấu.
Mức độ chính xác của các máy cao đạc kỹ thụât th−ờng không quá 1mm, vì vậy chỉ
khi đo các trị số độ võng lớn mới có thể dùng lọai máy này vì lúc đó sai số 1mm là không đáng kể. Muốn đo các trị số độ võng một cách chính xác hơn có thể dùng loại máy cao đạc chính xác. Nói chung máy cao đạc là hợp lý trong tình huống n−ớc sâu, sông rộng, n−ớc chảy xiết khi mà việc thả các dây nối từ đáy dầm cầu xuống mặt đát đáy sông là khó khăn và dây bị rung mạnh khiến cho kim đồng hồ chuyển vị dao động mạnh không thể cho kết quả đo chính xác.
Máy cao đạc đ−ợc đặt trên đầu cầu hay trên bờ sông, trên đỉnh các mố trụ nặng,ở đáy kết cấu nhịp ( dầm chủ,dàn chủ v.v…) gắn các mốc đo. Nếu khoảng cách từ máy cao đạc
đến các mốc đo không quá 50m thì có thể dùng máy cao đạc kỹ thuật thông th−ờng, nếu
khoảng cách xa hơn thì phải dùng máy cao đạc chính xác.
Việc dùng ống cao su đựng chất lỏng để đo độ võng có thể đ−ợc nh−ng phải là loại thiết bị chuyên dụng với chất lỏng đặc biệt. Không dùng ống cao su th−ờng đựng n−ớc để đo độ võng cầu vì rất kém chính xác.
Thông th−ờng nhất và đủ chính xác là dùng các đồng hồ chuyển vị đo độ võng kết
cấu nhịp cầu. Có rất nhiều kiểu đồng hồ khác nhau với các khoảng cách đo khác nhau và độ
chính xác khác nhau. Ví dụ nếu chính xác 0,11,0mm.Nếu độ võng nhỏ thì cần đòng hồ
có đọ chính xác đến 0,01mm hoặc đổi khi đến 0,001mm.
2.3.1 máy đo độ võng mác-xi-môp.
Đây là loại máy đo khá thông dụng ở Việt nam, có sơ đồ cấu tạo nh− hình 2-19. Dây 1 có một đầu buộc vào quả nặng chừng 20kg thả xuống đáy sông hoặc buộc chặt vào cọc
cố định ở gần cầu,dây võng qua bánh xe 2 của máy đo, đầu dây còn lại đ−ợc treo 1 vật
nặng chừng 1,5 2kg để giữ cho dây thảng. Dây là loại dây thép đ−ờng kính 0,3
0,5mm.Khi kết cấu nhịp võng xuống hoặc vồng lên, bánh xe 2 sẽ bị quay và làm quay theo đĩa 3và kim đồng hồ 4 sẽ chỉ trên vạch chia đọ trị số độ võng hoặc đo vồng đó. Thang chia độ trên đĩa thứ nhất có 100 vạch, mỗi vạch ứng với chuyển vị 0,1mm đ−ợc lộ ra ở một ô cửa sổ nhỏ trên đĩa chia độ lớn hơn lộ ra ở một ô cửa sổ nhỏ trên đĩa chia độ thứ nhất.
Nh− vậy bằng mắt th−ờng và −ớc l−ợng có thể đọc độ chính xác đến mức 0,05mm khoảng đo là khá lớn đủ thoả mãn việc đo độ võng của những nhịp máy đo vào kết cấu nhịp cần phải có bộ phận gá kiểu vít kẹp.
1 2
3 4
5
6 Hình 2-19. Máy đo võng kiểu Mác-xi-mốp.
1. Trục quay; 2. Bánh xe có rãnh dẫn h−ớng dây; 3. Thang chia vạch; 4. Kim chỉ vạch; 5. Trục quay kim;
Dây đo cần phải bố trí thẳng đứng. Đối với nơi n−ớc sâu, cầu cao, n−ớc chảy mạnh, có thông thuyền,việc phải thả dây đo là nh−ợc điểm rõ rệt làm phép đo kém chính xác hoặc thậm chí không thực hiện đ−ợc.
Cũng dựa trên nguyên tắc hoạt động nh− trên ng−ời ta đã làm các máy đo có đến 3 cấp thang chia độ. Thang thứ nhất đọc đ−ợc độ chính xác đến 1cm, thang thứ hai đến 1mm và thang thứ ba đến 0,01mm.
2.3.2 đồng hồ đo chuyển vị
Còn có tên gọi là bách phân kế hay thiên phân kế tuỳ theo độ chính xác (đến
0,01mm hoặc 0,001mm) chúng th−ờng dùng để đo chuyển vị nhỏ ( khoảng 5 10mm). Sơ
đồ cấu tạo nh− hình 2-20.
Thanh 1 có đầu nhọn tỳ vào đáy kết cấu nhịp. Vỏ đồng hồ đ−ợc liên kết cố định vào một gía đỡ nào đó cố định so với mặt đất. Khi kết cấu nhịp võng xuống hoặc vồng lên, thanh 1sẽ chuyển động t−ơng đối so với vỏ đồng hồ và làm quay các bánh xe răng c−a 2 và các kim chỉ độ 3. Một kim ngắn chỉ quay trên đĩa chia độ 1mm, còn một kim dài quay trên đĩa chia độ 0,01mm hoặc 0,001mm tuỳ từng loại đồng hồ.
Kiểu đồng hồ chuyển vị này có nh−ợc đIểm là khoảng thang đo nhỏ, chỉ vài mm, đối các nhịp cầu lớn hơn 10m đã có thể không dùng nó đ−ợc. Tuy nhiên có thể gá thêm các bộ
gá kiểu đòn bẩy để thang đo lên gấp 5 lần hay gấp 10 lần, tức là đến 50 100mm mà
không giảm độ chính xác. Cũng có thể làm bộ gá lắp đồng hồ chuyển vị cho nó hoạt động
giống nh− một máy đo võng Mac-xi-môp.
Khác với máy đo võng Mac-xi-mop, các đồng hồ chuyển vị còn dùng để đo các
chuyển vị nằm ngang hoặc chuyển vị theo ph−ơng bất kỳ cũng nh− đo chuyển vị góc, đo
tr−ợt v.v… chẳng hạn khi nh− nén cọc tĩnh.
2.3.3. đồng hồ đo biến dạng
Với cấu tạo gần giống nh− đồng hồ đo chuyển vị nh−ng có gắn thên hai đầu nhọn để tỳ lên bề mặt kết cấu, loại đồng hhồ đo biến dạng nh− trên hình 2-21, có rất nhiều công dụng, có thể đo chuyển vị, độ mở rộng vết nứt, biến dạng (ứng suất ) v.v... Chân nhọn 3 của đồng hồ tỳ vào một lỗ nhỏ 1mm khoan nông trên bề mặt thép,còn nếu đo trên bề mặt
bê tông hay đá xây thì phải đặt một thanh thép đệm đ−ờng kính 3-5mm,dài 10-20mm và
cũng khoan lỗ. Cơ sơ đo của đồng hồ là 50 250mm.
Hình 2-21. Đồng hồ đo biến dạng.
1. Thanh tr−ợt; 2. Mũi tỳ di động đ−ợc; 3. Mũi tỳ cố định; 4. Bản kế; 5. Mặt đồng hồ.
2.3.4 dụng cụ đo góc xoay
Trên hình 2-14 là sơ đồ một dụng cụ đo góc xoay có bọt n−ớc ống thuỷ. Phần đế của dụng cụ đ−ợc liên kết với kết cấu. Khi xảy ra chuyển vị góc xoay thì bọt n−ớc của ống thuỷ 2 bị lệch đi.Dùng vít xoay 4 có gắn đĩa chia độ để chỉnh cho ống thuỷ về vị trí cân bằng. Trị số chuyển vị góc xoay đ−ợc đọc trên đĩa chia độ. Dụng cụ góc xoay này nhỏ gọn, đơn giản, và đủ độ chính xác. Độ chính xác thông th−ờng là 0” 5”. Nh−ng khi tăng chiều dài cơ sởvà giảm b−ớc của vít thì có thể tăng độ chính xác hơn nữa.
1 2 3 4 5 6 7 8
Hình 2-22. Dụng cụ đo góc xoay có ống thuỷ.
1. Đế; 2. ống thuỷ có bọt n−ớc; 3. Díp lò xo; 4. Vít vi chỉnh; 5. Đĩa có vạch chia độ; 6. Đồng hồ đếm số vòng quay của đĩa; 7. Kết cấu thép; 8. Bộ giá.
2.4. nhận xét các kết quả thử tĩnh đối với cầu.
2.4.1. xét độ võng
Các kết quả đo đạc đ−ợc khi thử tĩnh đối với cầu cần đ−ợc xử lý, phân tích và so sánh với tính toán lý thuyết. Cần l−u ý là các trị số đo biến dạng có thể là biến dạng toàn phần, biến dạng đàn hồi và biến dạng d−. Biến dạng toàn phần bằng tổng của biến dạng đàn hồi và biến dạng d− và bằng hiệu số của số đọc trên máy đo biến dạng ở thời điểm dặt tải và tr−ớc lúc đặt tải lên cầu. Biến dạng đàn hồi là phần biến dạng bị triệt tiêu đi sau khi dỡ tải và t−ơng ứng với hiệu số của các trị số đọc trên máy đo biến dạng ở thời điểm đặt tải và sau khi dỡ tải.
Các tính toán lý thuyết đ−ợc tính với tải trọng thử cầu mà không xét hệ số xung kích. Trong những kết cấu nhịp cầu đang khai thác với mức tải trọng xấp xỉ tải trọng tính toán thì trị số của độ võng d− th−ờng không lớn hơn 20% ở cầu thép, 15 % ở cầu ô tô so với trị số độ võng đàn hồi đo đ−ợc. Những trị số lớn của độ võng d− là chứng tỏ có các khuyết tật đáng kể trong kết cấu nhịp.
Độ võng lý thuyết d−ới tải trọng thử đ−ợc xác định bằng các ph−ơng pháp khác nhau của môn học Cơ học kết cấu.
Đối với các dàn biên song song và cổng cầu thẳng đứng thì độ võng có thể tính đ−ợc theo các công thức gần đúng với sai số khoảng 4% nh− sau :
- Độ võng giữa nhịp dàn tam giác : 1 ( . ) .1,275
384 5 4 l H tg c tg EI kl y (2-12)
- Độ võng giữa nhịp dàn tam giác có thanh đứng :