Điều kiện mụi trường Bề rộng vết nứt cho phộp (mm)
Khụ hoặc cú màng bảo vệ 0,41
Ẩm, khớ hoặc đất ẩm 0,30
Cỏc húa chất làm tan băng 0,18
Nuớc biển hoặc bụi nuớc biển; làm uớt và làm khụ 0,15 Kết cấu chắn nuớc (trừ cỏc ống khụng ỏp) 0,10
Theo tiờu chuẩn thiết kế của Nhật Bản, giỏ trị giới hạn của bề rộng vết nứt do ăn mũn cốt thộp cú thể được xỏc định tựy thuộc vào điều kiện mụi trường, lớp phủ bờ tụng và loại cốt thộp, như cho trong Bảng 1. 3. Tuy nhiờn, lớp phủ bờ tụng c được sử dụng trong Bảng 1. 3 khụng được vượt quỏ 100mm [66].
Bảng 1. 3: Bề rộng vết nứt cho phộp theo Tiờu chuẩn kỹ thuật kết cấu bờ tụng – Phần Thiết kế của Nhật Bản (2007).
Loại cốt thộp Điều kiện mụi trường ăn mũn cốt thộp
Thụng thường Ăn mũn Ăn mũn nghiờm trọng
Cốt thộp cú gờ và cốt
thộp trơn 0,005c 0,004c 0,035c
Thộp ứng suất trước 0,004c - -
Một số quốc gia khỏc như Đan Mạch, Thụy Sĩ thường giới hạn chiều rộng vết nứt trờn bản mặt cầu thụng thường là 0,2mm [71].
1.4. Xe tải trờn cầu
1.4.1. Xe tải thiết kế theo tiờu chuẩn thiết kế của Việt Nam
1.4.1.1. Hoạt tải xe theo quy trỡnh thiết kế cầu cống 22TCN 18-79
Quy trỡnh thiết kế cầu cống theo trạng thỏi giới hạn 22TCN 18-79 cú hiệu lực từ 19/9/1979 được sử dụng trong thiết kế cỏc cụng trỡnh cầu trong giai đoạn từ năm 1979 đến trước khi ỏp dụng tiờu chuẩn thiết kế cầu 22TCN 272-05 cú hiệu lực từ 20/6/2005. Hoạt tải xe trong quy trỡnh được quy định như sau:
− Đồn xe H10, H13, H18:
Tải trọng của đồn xe ụtụ tiờu chuẩn H10, H13, H18 là một đồn xe 2 trục (khụng hạn chế nối đuụi nhau), mỗi chiếc nặng P tấn, trong đú cú một chiếc nặng 1,3P. Trong đú P = 10T, 13T, 18T.
Khoảng cỏch từ trục trước tới trục sau là 4m.
Khoảng cỏch giữa cỏc trục xe theo phương ngang là 1,7m.
4m 1.7m
0.7p 0.3p
Hỡnh 1. 18: Xe tải H10, H13, H18.
0.5m 1.7m 1.1m 1.7m
Hỡnh 1. 19: Đồn xe H10, H13, H18 theo phương ngang cầu.
0.7p 0.35p 0.95p 0.3p 0.7p 0.3p 0.7p
0.3p
4m 8m 4m 4m 4m 8m 4m
Hỡnh 1. 20: Đồn xe H10, H13, H18 theo phương dọc cầu. − Đồn xe H30: − Đồn xe H30:
Tải trọng của đồn xe ụtụ tiờu chuẩn H30 là một đồn xe 3 trục (khụng hạn chế nối đuụi nhau), nặng 30T, và khụng cú xe nặng.
Khoảng cỏch giữa cỏc trục xe lần lượt là 6m và 1,6m. Khoảng cỏch giữa cỏc trục xe theo phương ngang là 1,9m.
6m 1.9m 6t 12t 12t 1.6m Hỡnh 1. 21: Xe tải H30.
Cỏch xếp xe theo phương ngang cầu và dọc cầu được minh hoạ dưới đõy:
0.5m 1.9m 1.1m 1.9m
Hỡnh 1. 22: Đồn xe H30 theo phương ngang cầu.
6m 1.6m 10m
6t 12t 12t 6t 12t 12t
6m 1.6m
− Xe bỏnh XB80 và xe xớch X60:
XB80 là một chiếc xe bỏnh nặng 80T. X60 là chiếc xe bỏnh xớch 60T. Hai xe này chỉ xếp 1 xe trờn 1 làn. 3@1.2m 20t 20t 20t 20t 0.65m 2.7m Hỡnh 1. 24: Xe XB80. 5m 6T/m 0.65m 2.6m Hỡnh 1. 25: Xe X60.
1.4.1.2. Hoạt tải xe theo tiểu thiết kế cầu 22TCN 272-05 và TCVN 11823-3:2017 Thiết kế cầu đường bộ - Phần 3: Tải trọng và hệ số tải trọng [5]
Cỏc cụng trỡnh cầu được thiết kế trong giai đoạn từ 2005 đến 2017 với tải trọng thiết kế được quy định theo 22TCN 272-05 (tiờu cú hiệu lực từ ngày 20/6/2005), từ 2017 đến nay được quy định theo TCVN 11823-3:2017 Thiết kế cầu đường bộ - Phần 3: Tải trọng và hệ số tải trọng (tiờu chuẩn cú hiệu lực từ ngày 12/12/2017 để thay thế tiờu chuẩn thiết kế cầu 22TCN 272-05).
Trong cả hai tiờu chuẩn trờn, hoạt tải xe ụtụ trờn mặt cầu được đặt tờn là HL - 93 gồm một tổ hợp của:
+ Xe tải thiết kế (xe 3 trục) hoặc xe 2 trục thiết kế. + Tải trọng làn thiết kế.
Xe tải thiết kế:
Xe tải thiết kế là một xe cú 3 trục cú tổng trọng lượng là 325kN. Cự ly giữa 2 trục 145kN thay đổi giữa 4,3m tới 9m để gõy nờn ứng lực lớn nhất.
Đối với đường cấp thấp hơn, chủ đầu tư cú thể xỏc định tải trọng trục của xe tải thiết kế nhõn với hệ số 0,50 hoặc 0,65.
4.3m 1.8m 35kn 145kn bĩ vỉa 145kn 4.3m đến 9m 3m 0.6m nĩi chung 0.3m mút thừa mặt cầu Hỡnh 1. 26: Xe tải thiết kế. Xe 2 trục thiết kế: Xe 2 trục thiết kế là một xe cú 2 trục cú tổng trọng lượng là 220 kN. Cự ly giữa 2 trục 110 kN là 1,2 m.
Đối với đường cấp thấp hơn, chủ đầu tư cú thể xỏc định tải trọng trục của xe tải thiết kế nhõn với hệ số 0,50 hoặc 0,65.
110kn bĩ vỉa 1.2m 0.6m 1.8m 0.6m 110kn Hỡnh 1. 27: Xe 2 trục thiết kế. Tải trọng làn thiết kế:
+ Tải trọng rải đều 9,3 kN/m phõn bố đều theo chiều dọc cầu.
+ Theo phương ngang cầu, tải trọng này được phõn bố đều theo chiều rộng 3m.
9.3kN/m
Dọc cầu
3m
Ngang cầu
Hỡnh 1. 28: Tải trọng làn thiết kế.
1.4.2. Xe hợp phỏp trong đỏnh giỏ tải trọng khai thỏc cầu
Xe hợp phỏp là cỏc xe được lưu thụng mà khụng cần cú giấy phộp trừ trường hợp qua cỏc cầu cú tải trọng cho phộp qua cầu nhỏ hơn tải trọng xe [6].
Hỡnh 1. 29: Xe [3].
Hỡnh 1. 30: Xe [3-S2].
1.4.3. Tỡnh trạng xe quỏ tải ở Việt Nam
1.4.3.1. Định nghĩa xe quỏ tải
Định nghĩa xe quỏ tải trọng (xe quỏ tải) lưu hành trờn đường bộ được quy định tại Điều 9 Thụng tư 46/2015/TT-BGTVT (cũn hiệu lực) quy định tải trọng, khổ giới hạn đường bộ; lưu hành xe quỏ tải trọng, xe quỏ khổ giới hạn, xe bỏnh xớch trờn đường bộ; vận chuyển hàng siờu trường, siờu trọng; giới hạn xếp hàng húa trờn phương tiện khi tham gia giao thụng đường bộ do Bộ trưởng Bộ Giao thụng vận tải ban hành, theo đú:
− Xe quỏ tải trọng là phương tiện giao thụng cơ giới đường bộ cú tổng trọng lượng của xe hoặc cú tải trọng trục xe vượt quỏ tải trọng khai thỏc của đường bộ.
− Xe mỏy chuyờn dựng cú tổng trọng lượng của xe, tải trọng trục xe vượt quỏ tải trọng khai thỏc của đường bộ khi tham gia giao thụng trờn đường bộ. Trong đú,
− Tải trọng của đường bộ: là khả năng chịu tải khai thỏc của cầu và đường để đảm bảo tuổi thọ cụng trỡnh theo thiết kế.
− Khả năng chịu tải khai thỏc của cầu được xỏc định theo hồ sơ thiết kế cầu và tỡnh trạng kỹ thuật thực tế của cầu, được cơ quan cú thẩm quyền cụng bố hoặc được thể hiện bằng biển bỏo hiệu "hạn chế trọng lượng xe". Khả năng chịu tải khai thỏc của cầu được trỡnh bày chi tiết trong TCVN 12882:2020 - Đỏnh giỏ tải trọng khai thỏc của cầu đường bộ.
1.4.3.2. Vấn đề xe quỏ tải
Hiện nay cú nhiều kiểu loại phương tiện vận tải nặng đĩ được nhập vào nước ta, cỏc chủ hàng, chủ xe vỡ mục tiờu lợi nhuận cao thường thay đổi kớch thước thựng hàng và xếp hàng húa vận chuyển vượt quỏ tải trọng cho phộp.
Do điều kiện khú khăn về nguồn vốn nờn hạ tầng giao thụng đường bộ ở Việt Nam chưa đỏp ứng được yờu cầu vận tải núi chung, vận tải hàng húa núi riờng. Trờn cỏc tuyến đường huyết mạch quốc gia vẫn cũn rất nhiều cầu chịu tải trọng thấp, phải cắm biển hạn chế tải trọng xe.
Luật Giao thụng đường bộ và hệ thống cỏc văn bản quy phạm phỏp luật ở nước ta đĩ ban hành, cú cỏc điều khoản riờng rừ ràng để xử phạt hành vi vi phạm về tải trọng thiết kế của xe và vượt quỏ tải trọng quy định của cầu, đường bộ. Tuy nhiờn, hiện tượng xe chở hàng húa vượt quỏ tải trọng quy định ngày càng tăng và cú
tớnh chất phức tạp hơn, gõy nguy hại đến an tồn kết cấu hạ tầng đường bộ, đến an tồn của xe và tiểm ẩn nhiều nguy cơ mất an tồn giao thụng đường bộ.
Tại Việt Nam, trong những năm qua, hệ thống đường bộ Việt Nam đĩ và đang được cải tạo, nõng cấp, đầu tư mới rất nhiều khụng chỉ về số lượng mà cả về quy mụ và tiờu chuẩn kỹ thuật. Tuy nhiờn, sự gia tăng nhanh chúng số lượng cỏc phương tiện tham gia giao thụng, đặc biệt là tỡnh trạng xe nặng, xe chở hàng quỏ tải diễn ra phổ biến làm cho cỏc tuyến đường xuống cấp nghiờm trọng với cỏc dạng thức và mức độ khỏc nhau, cỏc hư hỏng này xuất hiện, phỏt triển theo thời gian, làm suy giảm khả năng chịu tải bộ phận kết cấu và tồn bộ cụng trỡnh. Chi phớ duy tu, bảo dưỡng hệ thống cầu đường lớn hơn rất nhiều so với lợi nhuận mà cỏc cỏ nhõn, doanh nghiệp sử dụng, khai thỏc xe quỏ tải thu được. Tỡnh trạng xe quỏ tải gõy tổn thất chung cho nền kinh tế và gõy ra nhiều hệ lụy cho xĩ hội như mất an tồn giao thụng, ụ nhiễm mụi trường [18].
1.4.3.3. Tải trọng xe và trục xe quỏ tải
Hiện tượng xe quỏ tải biểu hiện ở cả vượt quỏ tải trọng trục xe và tải trọng xe. Đối với bản mặt cầu, theo đặc điểm làm việc, nguy hiểm nhất là quỏ tải ở tải trọng trục xe. Khi khai thỏc với xe quỏ tải, tổn thương tớch lũy trong bản mặt cầu tăng lờn nhiều lần so với khai thỏc với tải trọng trục quy định [12]. Số liệu xe quỏ tải được ghi nhận từ hệ thống cỏc trạm cõn đặt trờn cỏc tuyến đường. Theo số liệu ở trạm cõn Dầu Giõy (năm 2013), tỷ lệ xe quỏ tải nhiều nhất ở loại xe tải 2 trục lờn đến trờn 20%, tiếp đến là xe tải 3 trục và ớt nhất ở xe tải 5 trục với hơn 5% như Hỡnh 1. 32. Tải trọng trục lớn nhất ghi nhận được là trờn 25 tấn của trục sau xe tải 2 trục như Hỡnh 1. 37 [3].
Một số đặc trưng thống kờ của tải trọng xe tải qua trạm cõn Dầu Giõy [3]:
Hỡnh 1. 33: Phõn bố tổng tải trọng xe tải.
Hỡnh 1. 34: Phõn bố tổng trọng lượng xe quỏ tải.
Hỡnh 1. 36: Phõn bố tải trọng trục 1 cỏc xe quỏ tải 2 trục.
Hỡnh 1. 37: Phõn bố tải trọng trục 2 xe hai trục quỏ tải.
Hỡnh 1. 39: Mật độ phõn bố tải trọng cỏc trục xe 3 trục quỏ tải.
Hỡnh 1. 40: Mật độ phõn bố tổng tải xe quỏ tải 4, 5, 6 trục.
Thành phần dũng xe ở một số địa phương trong thời gian gần đõy: Trờn đoạn Quốc lộ 1 đi qua Tp. Phan Thiết (năm 2016), trong cỏc phương tiện cơ giới lưu thụng chiếm thành phần chủ yếu là xe khỏch >25 chỗ (15,63%), xe tải nặng >3 trục (24,05%) và xe tải 3 trục (14,22%). Tỉ lệ xe tải nặng >3 trục chiếm tỷ lệ lưu lượng rất lớn (24,05%) [2]. Trờn đoạn Quốc lộ 1 (đoạn từ Km1926 – Km129) chiều đi từ Tp. Hồ Chớ Minh – Tp. Tõn An (năm 2017), xe tải trọng trung bỡnh chiếm 1,5%, xe tải trọng nặng chiếm 2,9% và xe tải trọng rất nặng chiếm 3,1% [1].
1.5. Tỡnh hỡnh nghiờn cứu về nứt bản mặt cầu bờ tụng cốt thộp do tải trọng xe trờn thế giới và ở Việt Nam trờn thế giới và ở Việt Nam
1.5.1. Tỡnh hỡnh nghiờn cứu trờn thế giới
Năm 1996, Michael F Petrou và cỏc cộng sự đĩ tiến hành nghiờn cứu thực nghiệm tiến hành trờn mụ hỡnh cầu dầm thộp liờn hợp cú tỷ lệ 1/6.6 [84]. Bản mặt cầu thớ nghiệm cú chiều dày 3,5cm. Ba loại mụ hỡnh thớ nghiệm được tiến hành như Hỡnh 1. 41; Mụ hỡnh vựng bản mặt cầu biệt lập thể hiện một phần bản mặt cầu được đỡ đơn giản trờn hai dầm thộp liền kề cú chiều dài bằng 1/3 tổng nhịp cầu; Mụ hỡnh
dải bản tương đương gỏc lờn cỏc dầm liền kề, biờn khớp. Mục tiờu của cỏc thử nghiệm là để khảo sỏt phản ứng của kết cấu bản với cỏc điều kiện biờn khỏc nhau dưới tải trọng tập trung tĩnh.
Hỡnh 1. 41: Mụ hỡnh thu nhỏ dưới tỏc dụng của tải trọng tập trung [84].
Cỏc tỏc giả đĩ tiến hành thử nghiệm trờn cỏc mụ hỡnh tỷ lệ 1/6.6 của 17 mụ hỡnh tồn bộ kết cấu nhịp, và sỏu vựng mặt cầu biệt lập, bao gồm hai mẫu được gia cố chỉ với một lớp thộp dưới cựng. Để so sỏnh, bốn thử nghiệm đĩ được thực hiện trờn cỏc mụ hỡnh dải bản tương đương. Kết quả thớ nghiệm đối với 01 mụ hỡnh tồn bộ kết nhịp như Hỡnh 1. 42. Tựy thuộc vào mức độ hạn chế cạnh bờn và/hoặc cạnh quay của cỏc mẫu bản mặt cầu, khả năng chịu tải cuối cựng của cỏc mẫu của tồn bộ bản mặt cầu dao động từ 5 đến 10 lần so với cỏc dải bản tương đương.
Nghiờn cứu trờn đĩ tiến hành nghiờn cứu khỏ tồn diện trờn cỏc mụ hỡnh cú mức độ chi tiết về sự làm việc của bản mặt cầu khỏc nhau. Kết quả cho biết kết quả tương quan giữa cỏc mụ hỡnh bản mặt cầu đi từ sơ đồ phức tạp nhất bỏm sỏt thực tế cho tới sơ đồ được tối giản húa là sơ đồ dải bản tương đương để cho việc tớnh toỏn được đơn giản. Hạn chế của nghiờn cứu là sử dụng mụ hỡnh thu nhỏ cú độ chớnh xỏc khụng cao và cỏc tải trọng tỏc dụng chưa phản ỏnh đỳng hoạt tải xe tỏc dụng lờn cầu.
Năm 2014, Baah đĩ đưa ra cỏc kết quả nghiờn cứu về ơứng xử nứt của kết cấu cầu bản BTCTằ trong luận ỏn tiến sĩ của mỡnh [24]. Luận ỏn đĩ trỡnh bày chi tiết của một cuộc điều tra thực nghiệm về ứng xử nứt của kết cấu bờ tụng. Kết quả kiểm tra mẫu hỡnh lăng trụ cho thấy bờ tụng cú cốt thộp phủ epoxy (ECB) phỏt triển vết nứt đầu tiờn ở tải trọng nhỏ hơn và phỏt triển chiều rộng vết nứt lớn hơn so với cỏc mẫu vật tương ứng với cỏc thanh khụng trỏng phủ. Kiểm tra bản mặt cầu cho thấy rằng khi bản bố trớ ECB dọc phỏt triển vết nứt đầu tiờn ở tải trọng nhỏ hơn, biểu hiện vết nứt rộng hơn và lớn hơn số lượng vết nứt và tải trọng giới hạn nhỏ hơn so với khi thử nghiệm cỏc tấm tương ứng với cốt thộp khụng trỏng phủ. Để phỏt triển một biện phỏp phũng ngừa, cỏc tấm bờ tụng cốt thộp bazan và sợi polypropylene cũng được đưa vào chương trỡnh thử nghiệm. Cỏc tấm thử nghiệm này cú tải trọng nứt cao hơn, chiều rộng vết nứt nhỏ hơn và tải trọng giới hạn cao hơn khi phỏ hủy so với cỏc mẫu tấm tương ứng khụng cú sợi. Khi bố trớ cốt thộp thỏa mĩn cỏc yờu cầu về khoảng cỏch được đưa ra trong AASHTO hoặc ACI 318-11 là khụng đủ để hạn chế nứt nhỏ hơn giới được khuyến nghị bởi ACI 224R-01. Bổ sung sợi vào bờ tụng mà khụng cú thay đổi bất kỳ chi tiết gia cố thộp nào được mong đợi để giảm mức độ nghiờm trọng và mức độ của nứt mặt cầu bờ tụng cốt thộp.
Năm 2016, Fareed Elgabbas và cỏc cộng sự đĩ tiến hành một dự ỏn nghiờn cứu điều tra ứng xử của cỏc bản mặt cầu bờ tụng hạn chế cạnh được gia cố bằng cỏc thanh BFRP (basalt-fiber-reinforced-polymer) [46]. Cỏc thớ nghiệm bao gồm sỏu tấm sàn bờ tụng hạn chế cạnh với tỷ lệ thực mụ phỏng bản mặt cầu trờn dầm thường được sử dụng ở Bắc Mỹ và một tấm sàn bờ tụng khụng hạn chế cạnh với tỷ lệ thực. Cỏc tấm sàn cú kớch thước dài 3000mm, rộng 2500mm, dày 200mm. Cỏc thụng số