2.3.1.Khái ni m chung về ki định, thử t i và quan tr c công trình c u
Kiểm định cầu đóng vai trò quan trọng đảm bảo an toàn cho hạ tầng kết cấu. Với các cầu có tuổi và bị suy thoái thì việc đánh giá chính xác hiện trạng cầu là rất quan trọng để đảm bảo độ tin cậy của hệ thống đƣờng bộ. Kiểm định cầu là một hoạt động tổng hợp bao gồm lập kế hoạch kiểm định, kiểm tra hiện trƣờng, thử tải trọng (nếu cần), đánh giá và lập báo cáo, xác định các cấu kiện cần phải sửa chữa ho c bảo trì. Có nhiều loại kiểm định cầu nhƣ: kiểm định ban đầu, kiểm định thƣờng xuyên, kiểm định hƣ hỏng, kiểm định chi tiết, kiểm định đ c biệt. Chu kỳ kiểm định cầu theo tiêu chuẩn kiểm định cầu Hoa Kỳ (NBIS) thƣờng là 2 năm, tối đa là 4 năm [41].
Theo qui định của Việt Nam (22TCN 306-2003) thì cầu đƣợc kiểm định lần đầu để xác định trạng thái ”0” sau đó 10 năm kiểm định lại, sau đó cứ 5-7 năm kiểm định lại 1 lần tính từ lần kiểm định trƣớc đó.
Thử tải là việc thu thập và đo đạc các đáp ứng của cầu chịu tải trọng xác định trƣớc gây ra các đáp ứng đàn hồi cho kết cấu. Thử tải có thể sử dụng để xác định đ c tính làm việc của bộ phận ho c toàn hệ thống dƣới tải trọng hoạt tải đã biết và cung cấp một phƣơng pháp đánh giá khả năng chịu tải cầu với phƣơng pháp tính toán lý thuyết.
Quan trắc công trình cầu là sự theo dõi, quan sát, đo đạc các thông số kỹ thuật của công trình theo yêu cầu của thiết kế trong quá trình trình thi công và khai thác cầu. Quan trắc cầu liên quan đến việc lắp đ t hệ thống cảm biến để quan trắc các ứng xử của kết cấu cầu dƣới tác dụng của tải trọng giao thông và tải trọng môi trƣờng. Thử tải cầu liên quan đến việc đo đạc các đáp ứng kết cấu trong thời gian ngắn, nhƣng quan trắc thì thực hiện trong thời gian lâu dài hơn. Thông tƣ số 52/2013/TT-BGTVT ngày 12 tháng 12 năm 2013 của Bộ trƣởng Bộ Giao thông vận tải quy định về quản lý, khai
thác và bảo trì công trình đƣờng bộ. “Cầu cấp đ t biệt (nhịp >150m) bắt buột phải quan trắc”.
Các số liệu kiểm tra, đo đạc tại hiện trƣờng liên quan đến sức kháng kết cấu và tải trọng là những dữ liệu trực quan và đáng tin cậy cho một quá trình đánh giá xác định năng lực chịu tải của cầu và qua đó qui định chế độ khai thác hợp lý cũng nhƣ cắm biển giới hạn tải trọng khai thác nếu cần thiết.
2.3.2. Đá iá sự suy thoái vật li u và k t cấu c u.
2.3.2.1. Đá giá suy thoái vật li u BTCT đối với sức c ịu t i c c u.
Có nhiều loại hƣ hỏng đƣợc tìm thấy trong các công trình cầu và có thể định lƣợng sự phát triển các loại hƣ hỏng này [44]. Các dạng chính của suy thoái vật liệu và kết cấu cầu nhƣ sau: Ăn mòn cốt thép (do thâm nhập chloride ho c cac-bo-nat hóa); phản ứng kiềm-alkali (ASR); hƣ hỏng do đông cứng-tan rả (freeze-thaw); sự thâm nhập sulphat; sự hình thành ettingite (làm giản nở gây nứt bê tông); sự chuyển đổi chất kết dính alumina (làm giảm cƣờng độ theo thời gian) và những nguyên nhân khác nhƣ thi công kém, tác động của xe cộ, tác động hóa học do ô nhiễm, mỏi, lún gối đỡ, từ biến lớn...
Để xét đến sự suy thoái và hƣ hỏng trong quá trình đánh giá cầu, có thể dùng các cách sau [39]:
- Sử dụng hệ số chiết giảm (hệ số hiện trạng) cho tính toán khả năng chịu tải của cầu ho c cấu kiện dựa trên những xem xét kỹ thuật.
- Tính toán lại khả năng chịu tải sử dụng diện tích cắt ngang cấu kiện đo đƣợc: Chiết giảm m t cắt kết cấu, chiết giảm diện tích cốt thép.
- Tính toán lại dựa trên giảm yếu mối nối: Mất mát lực dính cốt thép, mất mát mối nối chống cắt trong tiết diện cầu liên hợp, mất mát cƣờng độ trong mối nối hàn ho c bu lông.
- Xem xét lại các mô hình cho sức kháng m t cắt có xét đầy đủ sự mất mát hay suy thoái: Giảm cƣờng độ, giảm tính toàn vẹn của bê tông, khuyết tật trong kết cấu thép.
Hệ thống kiểm định cầu Quốc gia Hoa kỳ (NBIS) hƣớng dẫn đánh giá hiện trạng kết cấu nhịp cầu nhƣ ở Bảng 2-5.
Bảng 2-5: Hƣớng dẫn đánh giá hiện trạng cầu theo NBIS.
ã hiện trạng
ô tả hiện trạng cầu
. Không áp dụng 9 Hiện trạng tuyệt vời
8 Hiện trạng rất tốt- không có vấn đề gì 7 Hiện trạng tốt- vài vấn đề nhỏ
6 Hiện trạng thỏa mãn- kết cấu có một số suy thoái nhỏ
5 Hiện trạng hƣ hỏng- các kết cấu chính vẫn còn tốt nhƣng có một số giảm yếu tiết diện, nứt, bong vỡ ho c xói.
4 Hiện trạng yếu- giảm yếu tiết diện lớn, bong vỡ và suy thoái nhiều 3 Hiện trạng nguy hiểm- Giảm yếu m t cắt, hƣ hỏng trong các kết cấu
chịu lực, xuất hiện nứt mỏi trong thép, nứt do lực cắt trong bê tông. 2 Hiện trạng tới hạn – hƣ hỏng nghiêm trọng các kết cấu chịu lực
chính, xuất hiện nứt mỏi trong thép ho c vết nứt cắt trong bê tông ho c xói có thể làm biến dạng kết cấu hạ bộ. Từ khi có quan trắc, nên đóng cầu cho đeén khi có hành động khắc phục.
1 Hiện trạng hƣ hỏng ” báo động” – hƣ hỏng nhiều ho c giảm yếu m t cắt các cấu kiện quan trọng, biến dạng theo phƣơng đứng và ngang ảnh hƣởng đến ổn định kết cấu. Cấm giao thông qua cầu nhƣng nếu khắc phục có thể cho phục vụ trở lại nhƣng với cƣờng độ nhẹ.
0 Hiện trạng hƣ hỏng- hết phục vụ, cần sửa chữa
Bảng 2-6: Hệ số hiện trạng c (AASHTO LRFR,2005, Table 6-2).
Hiện trạng kết cấu (đánh giá hiện trạng) Hệ số c Tốt ho c đáp ứng đƣợc (Hệ số hiện trạng >=6) 1 Có hƣ hỏng (Hệ số hiện trạng =5) 0.95 Xấu (Hệ số hiện trạng <=4) 0.85
Sử dụng các tham số thống kê đã nghiên cứu đƣợc, mô hình tải trọng dùng trong tiêu chuẩn AASHTO LRFD (Nowak,1999) và các mô hình phân tích độ tin cậy theo thời gian, Naiyu Wang (2010) đã xác định đƣợc hệ số hiện trạng c theo tối ƣu AASHTO LRFR tƣơng ứng các hệ số hiện trạng đánh giá theo NBIS và đề xuất lựa chọn hệ số c chi tiết hơn nhƣ ở bảng. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Bảng 2-7: Các hệ số hiện trạng theo kiến nghị của Naiyu Wang (2010) [56]
Hệ số đánh giá hiện trạng kết cấu Hệ số c
>=8 1.00
7 0.95
6 0.85
5 0.75
<=4 0.70
2.3.2.2. Đá iá sự xuố cấp t cấu t ép.
Các hƣ hỏng của kết cấu nhịp cầu thép thƣờng là do các nguyên nhân sau: Gỉ, nứt do mỏi, do va đập, do nhiệt độ, do hỏng lớp sơn phủ [41] .
a) Hƣ hỏng go gỉ b) Hƣ hỏng do vết nứt mỏi
Hình 2-8: Ví dụ dạng hƣ hỏng go gỉ và nứt do mỏi.
Để đánh giá sự ảnh hƣởng các suy thoái, hƣ hỏng của kết cấu nhịp cầu thép có thể dùng phƣơng pháp hệ số đánh giá hiện trạng, chiết giảm m t cắt cấu kiện, đánh giá tuổi thọ mỏi còn lại.
Có thể sử dụng các phƣơng pháp quan trắc tốc độ ăn mòn do gỉ tại hiện trƣờng cầu làm cơ sở xác định sự chiết giảm tiêt diện kết cấu do gỉ, dự báo khả năng chịu tải còn lại nhƣ mô tả ở Hình 2-11.
Hình 2-9: Cảm biến quan trắc tốc độ gỉ cầu treo Thuận Phƣớc, Đà nẵng [47] Từ số đọc trị số biến dạng trên cảm biến theo thời gian, xác định đƣợc chiều dày lớp gỉ trên cảm biến, qua đó xác định đƣợc tốc độ ăn mòn do môi trƣờng tác động tại khu vực cầu. Một số kết quả bƣớc đầu quan trắc gỉ cầu treo Thuận Phƣớc có so sánh với môi trƣờng tại thành phố Yokohama-Nhật bản nhƣ ở [47].
Hình 2-10: Kết quả quan trắc gỉ cầu treo Thuận Phƣớc, Đà nẵng [47].
2.3.3. Đá iá c u sử dụng k t qu thử t i
Các phƣơng pháp thử tải cho đánh giá cầu
Thử tải chẩn đoán: đƣợc sử dụng để tăng hiểu biết của kỹ sƣ về ứng xử của cầu và giảm các yếu tố không chắc chắn về tính chất vật liệu, điều kiện biên, các yếu tố tham gia trong m t cắt ngang, ảnh hƣởng của việc tu sửa cầu, các hƣ hỏng, xuống cấp và các yếu tố liên quan khác. Thử tải chẩn đoán bao gồm đo hiệu ứng tải trọng tác dụng vào một hay một số cấu kiện đ c biệt quan trọng của cầu và so sánh với giá trị tính toán lý thuyết. Phƣơng pháp thử chẩn đoán dùng để kiểm tra và hiệu chỉnh các giả
Cảm biến ACM đo điện hóa Cảm biến
điện trở đo lƣợng gỉ
thuyết dùng trong mô hình tính toán. Mô hình cầu đã hiệu chỉnh (updated model) sau đó đƣợc sử dụng để xác định khả năng chịu tải. Quá trình thử tải chẩn đoán sử dụng tải trọng tác dụng đủ lớn để sinh ra các ứng xử vật lý của cầu tƣơng ứng với mức tải trọng đánh giá.
Những cầu đƣợc đánh giá tải trọng bằng phƣơng pháp phân tích lý thuyết cho kết quả cƣờng độ khá thấp so với cƣờng độ thực tế ( do tính dƣ kết cấu, điều kiện biên khác so với lý tƣởng hóa,..) là đối tƣợng cho cho thử tải chẩn đoán.
Thử tải kiểm chứng: Phƣơng pháp này dùng để kiểm tra sự làm việc của cấu kiện và cả hệ thống kết cấu cầu dƣới tác dụng của một tải trọng ngoài đã biết. Trong phƣơng pháp thử tải hiện trƣờng này, cầu đƣợc tác dụng tải trọng đ c biệt và đƣợc theo dõi quá trình chịu tải để xác định liệu cầu có xảy ra hƣ hỏng với mức tải trọng thử này hay không. Tải trọng tác dụng tăng dần và cầu đƣợc theo dõi để đƣa ra cảnh báo khi xảy ra dấu hiệu bắt đầu hƣ hỏng ho c ứng xử phi tuyến. Thử tải kiểm chứng đƣợc dừng khi:
Lực tác dụng tiến gần đến tải trọng lớn nhất quy định trƣớc ho c
Cầu xuất hiện dấu hiệu phi tuyến ho c bắt đầu hƣ hỏng.
Những cầu kiểm tra theo phƣơng pháp thử tải kiểm chứng đƣợc chia thành hai nhóm: Nhóm thứ nhất gồm những cầu mà quá trình xây dựng đƣợc biết trƣớc và khả năng chịu tải tính toán đƣợc là khá thấp, khi đó thí nghiệm ngoài hiện trƣờng có thể cung cấp kết quả tin cậy hơn và khả năng chịu tải có thể cao hơn. Những cầu có t nh tải lớn nhiều so với hoạt tải cũng là đối tƣợng kiểm tra theo phƣơng pháp này.
Nhóm thứ hai gồm những cầu “ẩn”, những cây cầu này không thể kiểm tra khả năng chịu tải bằng phƣơng pháp tính toán thông thƣờng vì thiếu những thông tin quan trọng về cấu tạo chi tiết bên trong và thông tin về cầu. Rất nhiều cầu bê tông thƣờng và cầu bê tông cốt thép dự ứng lực không còn các bản vẽ thi công, bản vẽ thiết kế nên khó khăn để phân tích bởi không chắc chắn về sự làm việc của kết cấu nên áp dụng thử tải kiểm chứng. Những cầu có tính dƣ (redundancy) lớn, cầu khó mô hình hóa lý thuyết do không chắc chắn về các các thông tin liên quan đến xây dựng ho c hiệu quả của việc tăng cƣờng cũng là đối tƣợng áp dụng thử tải kiểm chứng.
Phƣơng pháp này có thể rủi ro do sụp đổ cầu ho c hƣ hỏng các bộ phận chịu lực chính của cầu. Biện pháp để giám sát các rủi ro này là lập đề cƣơng, thực hiện thử tải và bố trí hệ thống quan trắc cảnh báo phù hợp.
+ Thử tải mềm :
Gần đây còn có khái niệm thử tải mềm (soft loading tets, R.Casas 2009) mới và hiệu quả hơn thử tải chẩn đoán và thử tải kiểm chứng. Phƣơng pháp thử tải này dựa trên các số liệu đo đạc của trạm cân động cầu (B-WIM) để xác định các đ c trƣng quan trọng của kết cấu nhƣ đƣờng ảnh hƣởng, phân bố tải trọng, hệ số xung kích. Các đ c trƣng này rất cần thiết cho đánh giá cầu. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Thử tải đƣợc phân loại thêm thành thử tải t nh và thử tải động. Thử tải t nh sử dụng tải trọng đứng yên tránh gây ra dao động cho cầu. Thử tải động sử dụng tải trọng thay đổi theo thời gian ho c tải trọng di động để gây ra dao động cho cầu. Thử động có thể sử dụng để đo các dạng dao động, các tần số dao động, hệ số xung kích và lịch sử khoảng ứng suất cho đánh giá tuổi thọ mỏi. Thử tải chẩn đoán có thể t nh ho c động. Thử tải kiểm chứng hầu hết là thử tải t nh.
MBE-2011 cũng khuyến cáo một số trƣờng hợp sau đây không thích hợp thí nghiệm thử tải:
Việc thử tải tốn kém không ít hơn việc gia cố cầu
Các đánh giá sơ bộ chỉ ra rằng thí nghiệm thử tải không chỉ ra đƣợc khả năng chịu lực của kết cấu lớn hơn so với tính toán.
Dựa vào kết quả tính toán, cầu thậm chí không chịu đƣợc cấp lực nhỏ nhất.
Có thể xuất hiện các hƣ hỏng bất ngờ nhƣ nứt, gãy.
Khó khăn để thực hiện thử tải do tình trạng giao thông phức tạp
2.3.3.1. Sử dụ dữ li u t ử t i c đá iá c u
+ Dùng kết quả thử tải chẩn đoán.
Nhiệm vụ quan trọng của thử tải chẩn đoán là so sánh giữa kết quả dự đoán (tính toán) và kết quả đo đƣợc trên kết cấu, từ đó xác định khả năng chịu tải của cầu. Phƣơng trình hiệu chỉnh hệ số sức chịu tải cầu (Rating factor) nhƣ sau [31]:
RFT = RFc*K (2-33)
RFc: Hệ số đánh giá dựa vào kết quả tính toán trƣớc bằng lý thuyết.
K: Hệ số điều chỉnh kết quả đánh giá dựa vào so sánh giữa kết quả đo với kết quả tính toán bằng lý thuyết.
K=1+Ka*Kb (2-34)
Trong đó: Ka: Kể đến lợi ích của cả việc thử tải và hệ số m t cắt (diện tích, mômen chống uốn tiết diện) kháng lại tải trọng thử nghiệm.
Kb: Kể đến khả năng chính xác của kết quả thí nghiệm so với kết quả tính toán bằng lý thuyết.
(2-35) Trong đó: εT: Giá trị biến dạng lớn nhất đo đƣợc khi thí nghiệm
εc: Biến dạng tính đƣợc bằng lý thuyết do tải thí nghiệm tại vị trí ứng với giá trị εT
Ka có thể âm ho c dƣơng tùy thuộc vào giá trị thí nghiệm thử tải. Giá trị biến dạng lý thuyết εc phải đƣợc tính toán sử dụng các đ c trƣng tiết diện thích hợp nhất đối với sức kháng thực của cấu kiện trong suốt quá trình kiểm tra. Đối với tiết diện không liên hợp, hệ số Ka thay thế cho các giá trị có lợi trong quá trình kiểm tra mà không xét đến hiện tƣợng liên hợp khi cầu chịu lực.
Kb là hệ số xét đến khả năng, kinh nghiệm, hiểu biết của ngƣời thí nghiệm trong suốt quá trình phân tích và giải thích kết quả thí nghiệm.
Bảng 2-8: Giá trị hệ số Kb
T là hiệu ứng tải trọng thí nghiệm đo đƣợc chƣa nhân hệ số; W là hiệu ứng tải trọng đánh giá chƣa nhân hệ số (theo phân tích lý thuyết).
+ Sử dụng kết quả thử tải kiểm chứng
Thử tải kiểm chứng cung cấp thông tin khả năng chịu tải của cầu bao gồm cả t nh tải và hoạt tải đã phóng đại (nhân hệ số). Tuy nhiên các yếu tố không chắc chắn
YES NO T/W<0.4 0.4<T/W0.7 T/W>0.7 P P 0 P P 0.8 P P 1 P P 0 P P 0 P P 0.5
Khả năng ngoại Độ lớn của tải trọng thử tải
nhƣ khả năng quá tải trong suốt quá trình khai thác, hệ số xung kích chƣa đƣợc đo đạc trong thí nghiệm. Các yếu tố không chắc chắn này phải đƣợc xét đến khi xác định tải trọng kiểm chứng mục tiêu (target proof load).
Thông thƣờng, tải trọng thí nghiệm đƣợc tác dụng theo từng cấp, cấp đầu tiên không quá 25%, các cấp sau đó không quá 50% tải kiểm chứng mục tiêu. Cần quan trắc các ứng xử của vật liệu đến giới hạn nguy hiểm dẫn đến nứt ho c ho c các hƣ hỏng vật lý khác để dừng chất tải. Dừng thí nghiệm kiểm chứng khi tải trọng đạt đến ngƣỡng tải an toàn ho c các ứng xử kết cấu bắt đầu phi tuyến.