2.2. Kiểm định cầu: 3 4-
2.2.3. Xác định khả năng chịu tải của cơng trình theo thực nghiệm: 4 0-
2.2.3.1. Thử tải trọng tĩnh đối với cơng trình, phương pháp thử tải tĩnh:
Trong thử tải tĩnh nhất thiết phải xác định độ võng của các dàn làm chủ, sự phân phối nội lực giữa chúng và trị số ứng suất trong một số các phân tố, các thanh chủ yếu hoặc trong số tiết diện đặc trưng. Ngồi ra việc thử tải có thể nhằm giải quyết nhiều vấn đề như nghiên cứu sự làm việc của hệ dầm mặt cầu, xác định ứng suất cục bộ ở các bộ phận hoặc các nút của kết cấu, đo độ chuyển dịch của gối cầu và con lăn…
Nếu cầu nhiều nhịp kết cấu giống nhau thì thơng thường chỉ cần thử tải chi tiết đối với mỗi nhịp đáng lo ngại nhất, còn đối với những nhịp khác chỉ cần đo độ võng là đủ, bởi vì độ võng là thông số kỹ thuật đặc trưng tổng quát cho khả năng chịu tải của kết cấu nhịp.
Trong thời gian thử tải, giao thông trên cầu phải tạm ngừng. Nếu sơng là sơng thơng thuyền thì tầu thuyền cũng không được qua lại dưới nhịp đang tiến hành thử tải. Vì thế cơng việc thử tải cần được thực hiện tương đối nhanh chóng, chỉ nên trong thời gian vài giờ đồng hồ.
Tải trọng thử cầu thường là những xe ơ tơ tải nặng, đồn tầu chở cát, đá đã được xác định trọng lượng để sau này có thể đối chiếu kết quả quan chắc với số liệu tính tốn. Cường độ tải trọng thử tĩnh khơng được gây nguy hiểm cho cơng trình, làm sao để nội lực trong kết cấu hoặc các phân tố, thanh cần nghiên cứu nằm trong khoảng 80% đến 100% nội lực tính tốn thiết kế. Cần lưu ý rằng nếu cường độ tải trọng nhỏ có thể cho các số liệu quan chắc không phản ánh đầy đủ sự làm việc của kết cấu. Nhưng mặt khác không được để trong phân tố hoặc thanh nào có nội lực do trọng lượng bản thân kết cấu và do tải trọng thử vượt q 10% nội lực tính tốn thiết kế. Trong trường hợp để giảm bớt số lượng xe tải trọng thử cầu, có thể bố trí cự ly giữa các xe gần nhau hơn để đạt được giá trị nội lực lớn cần thiết trong kết cấu. Trên mặt cầu phải đánh dấu vị trí của các bánh xe của tải trọng thử cầu ứng với từng thế tải cho việc quan trắc thông số kỹ thuật của các thanh, các phân tố kết cấu. Các vị trí đặt thiết bị và dụng cụ đo được xác định xuất phát từ những xét luận sau:
1. Cần đo độ võng của kết cấu nhịp không phải chỉ tại tiết diện cần nghiên cứu, mà cả ở vị trí gối để có thể loại trừ những biến của mố trụ;
2. Khi kết cấu nhịp có nhiều dầm hoặc dàn chủ thì đối với nhịp cần nghiên cứu chi tiết sẽ đo độ võng của từng dầm hoặc dàn chủ, đối với những nhịp khác sẽ chỉ đo đối với dầm hoặc dàn chủ phía thượng lưu và hạ lưu;
- 46 -
3. Đối với tất cả các thanh hay phân tố kết cấu cầu cần nghiên cứu sẽ đo ứng suất tại các thớ mép tiết diện. Để loại trừ các kết quả ngẫu nhiên, nên bố trí tại mỗi thớ hai dụng cụ đo. Khi thử kết cấu nhịp có bản bê tơng cốt thép liên hợp với dầm thép, cần đo ứng suất cả trong thép và trong bê tơng. Trong trường hợp khơng có đủ dụng cụ đo thì sẽ chỉ đặt dụng cụ để đo trong dầm hoặc dàn chịu tải nhiều nhất;
4. Nên bố trí dụng cụ đo ở xa vị trí các đinh liên kết và các nơi tiết diện thay đổi, cũng không nên đặt dụng cụ đo tại nút hoặc gần nút dàn, vì trong những trường hợp đó kết quả đo sẽ khơng phản ánh đúng ứng suất trong thanh hoặc phân tố kết cấu;
5. Các vị trí đặt dụng cụ phải dễ dàng cho cơng việc lắp đặt, quan trắc.
Trên hình 2.5 giới thiệu một ví dụ về sơ đồ thử tải trọng tĩnh đối với một cầu ơ tơ. Có tất cả 5 thế đặt tải trọng mà trên sơ đồ biểu diễn là tải trọng phân bố đều, tuy thực tế là đồn xe ơ tô sắp xếp tương ứng với các đường ảnh hưởng nội lực trong các thanh cần nghiên cứu.
Thế tải trọng thứ nhất để có được mơ men uốn trong dầm ngang mặt cầu nằm ở giữa vị của khoang 17 – 19. Thế tải trọng thứ hai để có độ võng của nhịp bờ trái và nội lực trong khoang 17 – 19 và 20 – 22. Thế tải trọng thứ ba gây ra nội lực xấp xỉ nội lực tính tốn trong các khoang 2 - 4 và 3 – 5. Thế tải trọng thứ tư cho lực đẩy ngang của vòm và độ võng ở nhịp giữa. Thế tải thứ năm cho độ võng của nhịp bờ phải.
Độ võng được đo đối với cả hai dàn thượng và hạ lưu, các số liệu của võng kế đặt trong dấu ngoặc là để đo dàn phía thượng lưu. Đối với ứng suất, ở đây chỉ đo dàn chịu lực nặng hơn. Trên các trụ mố có bố trí gối di động đều đặt thiết bị đo chuyển vị (Hình 2.5)
Hình 2.5 - Sơ đồ thử tải tĩnh một cầu ô tô T - Tenxômét
V- Võng kế I- Inđicatơ
K- Dụng cụ đo biến dạng góc
Trình tự thử tải được tiến hành như sau: sau khi lắp đặt các thiết bị thì phong tỏa giao thơng trên cầu và ghi chỉ số ban đầu của tất cả các dụng cụ đo. Sau đó cho tải trọng thử cầu vào và giữ đứng trên mặt cầu vì biến dạng của kết cấu nhịp sẽ diễn ra tăng khi đặt tải và giảm khi cất tải trong một khoảng thời gian. Cho nên sau khi đặt tải độ 20 phút mới đọc chỉ số trên các dụng cụ đo. Sau đó cất tải đi và cũng chờ khoảng 20 phút mới đọc chỉ số trên các dụng cụ đo. Các bước này nên lặp đi lặp lại 2, 3 lần cho mỗi thế tải trọng để tránh được những số đo ngẫu nhiên và giảm sai số.
Để thuận tiện cho việc xử lý số liệu đo, nên cho mỗi dụng cụ đo một ký hiệu có kèm theo số thứ tự tùy theo chủng loại dụng cụ đo. Chẳng hạn tenxômét được ký hiệu là T, võng kế là V, thiên phân kế là C, v.v… Như vậy, sẽ có các dụng cụ đo mang tên T1, T2, T3…V8, V9,… C12… Các số thứ tự tốt nhất cũng không nên trùng nhau. Ngồi ra cịn có thể có những cách ký hiệu bổ sung thêm cho công việc xử lý kết quả đo được thuận tiện. Ví dụ lấy số thứ tự chẵn là chỉ dàn phía thượng lưu, số lẻ là dàn phía hạ lưu.
Tất cả các số liệu quan trắc phải được ghi chép vào sổ nhật ký theo biểu mẫu nhất định. Trong khi thử tải trọng, người cán bộ chỉ đạo phải theo dõi chặt chẽ các số liệu quan trắc ở nơi có khả năng có được độ võng cực đại. Nếu trường hợp số liệu đo tăng lên đột ngột thì phải kịp thời dừng ngay việc chất tải. Vào cuối quá trình thử tải trọng người cán bộ chỉ đạo cần kiểm tra các sổ ghi chép. Nếu thấy khơng có những số liệu đáng ngờ thì có thể cho kết thúc cơng việc thử tải.
Thử tải nên tiến hành vào thời tiết tốt và nhiệt độ ngồi trời khơng thay đổi nhiều. Vào ngày trời nắng nóng thì nên thực hiện thử tải vào sáng sớm hoặc chiều muộn để tránh sự thay đổi nhiệt độ của khơng khí và bức xạ mặt trời ảnh hưởng tới sự làm việc của kết cấu và khó khăn cho việc xử lý số liệu đo. Mặt khác nhiệt độ thay đổi cũng ảnh hưởng không tốt tới sự làm việc của các dụng cụ đo như tenxơmét hoặc vịng kế sử dụng dây treo dài.
a. Các dụng cụ đo độ võng, chuyển vị:
- Dụng cụ đo độ võng: Độ võng của kết cấu nhịp có thể đo bằng máy thủy bình, mực nước trong ống dẫn theo ngun lý bình thơng nhau, võng kế các loại.
Độ chính xác khi quan trắc bằng máy thủy bình thường khơng q 1mm, cho nên thường sử dụng máy này trong trường hợp độ võng khá lớn khi sai số 1mm khơng có ý nghĩa đáng kể. Nếu dùng máy thủy bình siêu chính xác kết hợp với mia in – va có thể đạt độ chính xác cao hơn. Dùng máy thủy bình để đo độ võng sẽ thuận lợi trong những trường hợp không thể tạo được một điểm cố định gắn với đất dưới cầu, chẳng hạn khi cầu bắc qua sơng có mật độ thông thuyền cao, cầu bắc qua khe núi, cầu vượt đường
xe lửa gần ga đầu mối lớn ln ln có tàu chạy qua lại. Máy thủy bình thường đặt ở trên mặt mố trụ hoặc mái đất đắp phần tư nón. Thước hoặc mia được treo vào thanh biên dưới của dàn. Với cự ly từ điểm đặt máy đến điểm đo khơng vượt q 50m thì có thể dùng máy thủy bình thơng thường. Nếu cự ly xa thì nên dùng máy thủy bình siêu chính xác.
Đo độ võng bằng mực nước trong ống dẫn theo ngun lý bình thơng nhau rất ít khi sử dụng vì thiết bị cồng kềnh phức tạp.
Thiết bị hay được sử dụng để đo độ võng là võng kế có rịng rọc treo quả nặng kiểu Macxi mốp
(hình 2.6). Cấu tạo và nguyên lý hoạt động như sau: Hình 2.6 - Võng kế kiểu Macximốp Hộp 8 có gắn trục 7 vừa dùng để gắn lắp vào kết cấu nhịp vừa là trục tâm của ròng rọc quàng dây treo 5 buộc quả nặng. Khi ròng rọc quay sẽ làm cho đĩa 9 có răng cũng quay. Răng của đĩa 9 làm quay bánh xe 4 gắn với kim 3 chỉ trên mặt đồng hồ 1 có chia 100 vạch, mỗi vạch ứng với độ võng 0,1 mm. Quả nặng thường có trọng lượng 1,5 – 2,0 kg, cịn dây treo là dây
- 48 -
thép đường kính 0,3 – 0,5 mm một đầu buộc vào quả nặng một đầu buộc vào điểm cố định sau khi đã vòng qua ròng rọc.
Để tránh hiện tượng trượt giữa dây và ròng rọc, nên để dây cuộn qua rịng rọc một vịng. Cũng có thể lắp đặt võng kế vào điểm cố định, và dây qua ròng rọc sẽ buộc một đầu vào quả nặng còn một đầu buộc vào điểm đo của kết cấu nhịp (hình 2.7a). Nếu nhịp cần đo võng ở chỗ lịng sơng sâu, khơng thể buộc dây vào điểm cố định dưới sơng; trong trường hợp đó có thể buộc dây vào một vật nặng khơng ít hơn 20kg và thả xuống đáy sơng để tạo điểm cố định (hình 2.7b).
Hình 2.7 - Các sơ đồ bố trí điểm buộc dây đo độ võng
- Dụng cụ đo chuyển vị và trượt: Đó là các Indicator hay cịn gọi là thiên phân kế. Các Indicator thường có độ chính xác 0,01mm. Có loại độ chính xác cao hơn, đạt tới 0,001mm. Indicator dùng trong thử tải các cơng trình cầu thường có thể đo chuyển vị tới 10mm.
Indicator có dạng như một đồng hồ trịn (hình 2.8) với một thanh ti 6 xuyên qua vỏ hộp theo phương đường kính. Thanh ti này có răng ăn khớp với răng của bánh xe răng nhỏ 1, cho nên khi thanh ti trượt lên xuống thì bánh xe răng này sẽ quay. Áp dưới và cùng trục với bánh xe 1 là một bánh xe răng lớn 2, do đó bánh xe 2 cũng quay và làm quay bánh xe răng 3 gắn liền trục với kim đồng hồ. Để tránh sự chênh chẹo giữa các bánh xe 2 và 3, bánh xe 3 được ăn răng vào với bánh xe phụ 4 mà bánh xe này có một lị xo xoắn bảo đảm sự tiếp xúc chặt chẽ giữa các răng của hai bánh xe 3 và 4. Nhờ một chi tiết kết cấu đặc biệt dạng tay địn có gắn lị xo mà thanh ti 6 ln có khuynh hướng chuyển động về vị
trí ban dầu. Trên mặt đồng hồ có hai vịng chia độ: vịng chia lớn có 100 vạch, mỗi vạch chia ứng với một vịng của vòng chia lớn, tức là 1mm.
Khi lắp đặt Indicator, cần để cho đầu nhọn của thanh ti tỳ vng góc với một diện nhẵn phẳng và sao cho kim chỉ ít ra là 0,5mm trong trường hợp biến dạng xảy ra sẽ làm tăng số đo. Nếu như có khả năng biến dạng lớn hơn 9 mm và có thể dẫn đến nguy hiểm làm gãy Indicator, tốt nhất nên lắp đặt sao cho khi biến dạng tăng thì số đo lại giảm đi, như vậy khi biến dạng quá lớn vượt giới hạn của Indicator có thể đo
thì đầu nhọn của thanh ti sẽ rời ra khỏi bề mặt tựa. Hình 2.8 - Sơ đồ dụng cụ đo Indicatơ - Dụng cụ đo biến dạng góc: Thường được thiết kế theo nguyên tắc dựa vào bọt nước ống thủy hoặc dựa vào quả dọi.
Dụng cụ đo dùng bọt nước (hình 2.9) gồm có bản thép 4 có gắn trụ 2 và trụ 6. Ống thủy 3 được liên kết vào trụ 2 bằng một chốt và bị ép chặt bởi lò xo lá 1 tựa vào bản thép 4. Ống thủy còn được gắn với bản thép 5 mà cuối của bản này có thanh răng cưa 10. Ở phía trên của trụ 6 có răng ren và bắt một vít xoắn bước răng nhỏ. Vít này tựa lên bản thép 5 và điều chỉnh vị trí bản đó. Đĩa chia độ 8 có 300 vạch lắp vào vít 7 và quay khi vặn vít này. Thanh có răng 10
Hình 2.9 - Dụng cụ đo biến dạng góc
ăn vào bánh xe răng 9 có cùng trục với kim chỉ vịng quay. Bước răng ren của vít 7 tương ứng với bước của bánh xe răng sao cho mỗi vịng xoắn của vít tương ứng với kim chi một vạch của đồng hồ. Thường dụng cụ đo góc này có thể đo được góc nghiêng tới 3o.
Để đo biến dạng góc, dụng cụ này được bắt vào kết cấu, sau đó nới lỏng vít 7 và chỉnh cho bọt nước của ống thủy nằm vào vị trí chính giữa, nghĩa là ống thủy nằm ngang. Khi có biến dạng góc thì ống thủy nghiêng đi và bọt nước dịch chuyển. Vặn vít 7 để đưa bọt nước về vị trí giữa tức là ống thủy trở lại vị trí nằm ngang. Số đọc do kim chỉ lúc ban đầu và lúc ống thủy lại trở lại vị trí nằm ngang cho phép xác định biến dạng góc.
a.1. Bố trí điểm đo:
Thơng thường nên bố trí điểm đo tại các mặt cắt có độ võng lớn nhất, hay tại các vị trí xung yếu, giảm thiểu tiết diện. Số lượng điểm đo phụ thuộc vào khẩu độ cầu và kết cấu nhịp, nếu cần vẽ biểu đồ độ võng của toàn bộ cơng trình thì phải bố trí nhiều điểm đo.
Cần bố trí điểm đo ở gối hoặc vùng lân cận để xác định độ lún của mố trụ cầu ảnh hưởng đến độ võng của kết cấu nhịp.
+ Đối với cầu dầm: Theo chiều dọc cầu đo ở những vị trí có độ võng lớn.
Hình 2.10 - Bố trí điểm đo độ võng cầu dầm a. Cầu dầm giản đơn; b. Cầu mút thừa; c. Cầu liên tục
- 50 - Trên mặt cắt ngang đo ở các dầm.
Hình 2.11 - Bố trí điểm đo độ võng trên mặt cắt ngang cầu dầm a. Cầu dầm thép; b. Cầu dầm BTCT; c. Cầu dầm hộp + Với cầu dàn:
Theo chiều dọc đo tại các nút có độ võng lớn
Hình 2.12 - Bố trí điểm đo độ võng trên cầu dàn a,b. Cầu dàn giản đơn; c. Cầu dàn liên tục Theo chiều ngang cầu bố trí ở các dàn chủ
Hình 2.13 - Bố trí điểm đo độ võng trên MCN cầu dàn a. Cầu dàn chạy dưới; b. Cầu dàn chạy trên
a.2. Xử lý số liệu:
Các xử lý số liệu đo độ võng tương tự như đo ứng suất, tuy nhiên trong đo độ võng cần lưu ý đến độ võng dư, và độ võng đàn hồi, do kết quả đo mới chỉ xác định độ võng toàn phần của điểm đo. Ví dụ đo độ võng của cầu dầm giản đơn bằng võng kế macximốp, ta bố trí điểm đo tại gối V1, tại giữa nhịp V2, và tại gối kia V3. Kết quả đọc số liệu trên võng kế như sau: