Tài liệu đánh giá khả năng chịu lực và đề xuất phương án cải tạo cầu hội yên thành phố đà nẵng

LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đ y l công trình nghi n cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả tính toán nêu trong luận văn l trung thực v chƣa từng đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả luận văn Ngô Nhật Anh C C U D R L . T ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG CHỊU LỰC VÀ ĐỀ XUẤT PHƢƠNG ÁN CẢI TẠO CẦU HỘI YÊN THÀNH PHỐ ĐÀ NẴNG Học viên : NGÔ NHẬT ANH. Chuyên ngành Mã số Khóa : Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông. : 85.80.02.05 : K36 Trƣờng Đại học Bách khoa – Đại học Đ Nẵng. Tóm tắt: Đ nh gi năng lực chịu tải của cầu Hội Yên thuộc huyện Hòa Vang và giải pháp thiết kế nâng cấp sửa chữa là áp dụng c c phƣơng ph p đ nh gi cầu để c định các nguy n nh n hƣ hỏng, năng lực chịu tải thực tế của cầu; nhu cầu vận chuyển hàng hoá, từ đó có giải pháp nâng cấp sửa chữa. Đồng thời đ nh gi lại việc cắm biển tải trọng cầu tại thời điểm khảo sát so với QCVN 41:2016/BGTVT của Bộ Giao thông vận tải để các loại xe có số lƣợng trục khác nhau , có tải trọng khác nhau có thể hợp pháp qua cầu mà không gây nguy hiểm cho kết cấu. Trong nội dung luận văn t c giả tiến hành thực nghiệm v đ nh gi năng lực chịu tải của cầu. Áp dụng phƣơng ph p đ nh gi cầu theo tiêu chuẩn AASSHTO, từ kết quả đ nh t c giả chọn giải ph p gia cƣờng bằng phƣơng ph p d n vật liệu FRP cho cầu, từ kết quả tính to n đề xuất cắm biển tải trọng hợp ph p trƣớc hi gia cƣờng v sau hi gia cƣờng đảm bảo phục vụ tốt cho việc vận chuyển hàng hoá và an toàn cho công trình cầu. Từ khóa: Đ nh gi , năng lực chịu tải, cầu thép, thiết kế, nâng cấp sửa chữa. Summary: The assessment of the load-carrying capacity of Hoi Yen bridge in Hoa Vang District and the design solution for improvement and repair is to apply the method of bridge assessment to identify causes of damage and performance, the actual bearing load of C C R L . T U D the bridge; Demand for transportation of goods, from which solutions to improve and repair. Meanwhile, it is necessary to evaluate weight limit of the old bridges at the time when these bridges were monitored compared to QCVN 41:2016/BGTVT standard enacted by Ministry of Transport which allows vehicles with different axle and weight to pass the bridge without endangering its structure members. In this thesis, Hoi Yen bridge was selected to carry out testing the bridge load capacity. The standard used to assess in the study is AASHTO LRFD. Based on the results of the examination, using FRP material to cover reinforced concrete beam bridge solutions to strengthen bridge performance. Eventually, to ensure bridge safety and best service for the carriage of products, the research suggested the appropriate weight limit of bridges before and after the time when adding strength. Keyword: Evaluation, load-carrying capacity, reinforced concrete, strengthen. MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN........................................................................................................................... 1 LỜI CAM ĐOAN .................................................................................................................... 2 ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG CHỊU LỰC VÀ ĐỀ XUẤT PHƢƠNG ÁN CẢI TẠO CẦU HỘI YÊN THÀNH PHỐ ĐÀ NẴNG .................................................................................. 3 MỤC LỤC ................................................................................................................................ 4 DANH MỤC BẢNG BIỂU .................................................................................................... 6 DANH MỤC HÌNH VẼ .......................................................................................................... 6 MỞ ĐẦU .................................................................................................................................. 1 1. Lý do chọn đề tài ................................................................................................ 1 2. Đối tƣợng nghiên cứu ......................................................................................... 1 3. Phạm vi nghiên cứu ............................................................................................ 1 4. Mục tiêu nghiên cứu ........................................................................................... 1 5. Phƣơng ph p nghi n cứu ....................................................................................2 6. Cấu trúc của luận văn.......................................................................................... 2 C C R L . T CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG TRÌNH CẦU HỘI YÊN VÀ VẬT LIỆU SỢI FPR ................................................................................................................................... 3 1.1. GIỚI THIỆU VỀ CẦU HỘI YÊN ...................................................................3 1.1.1. Tiêu chuẩn thiết kế ban đầu .........................................................................3 1.1.2. Giải pháp kết cấu cầu ....................................................................................3 U D 1.2. TÌNH TRẠNG, CHẤT LƢỢNG CẦU ........................................................... 5 1.2.1. C c hƣ hỏng và sự cố cầu Hội Yên .............................................................. 5 1.3. TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU FRP ................................................................ 6 1.3.1 Đặc tính cấu tạo của tấm composite .............................................................. 6 1.3.2. Đặc tính vật lý của vật liệu composite .......................................................... 7 KẾT LUẬN CHƢƠNG 1 ..................................................................................................... 10 CHƢƠNG 2: ĐÁNH GÍA NĂNG LỰC CHỊU TẢI CỦA CẦU HỘI YÊN VÀ CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN GIA CƢỜNG CẦU BẰNG VẬT LIỆU FRP ...... 11 2.1. CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ CẦU .................................................... 11 2.1.1. Đ nh gi cầu theo hệ số sức kháng và hệ số tải trọng ................................ 11 2.1.2. Quy trình đ nh gi tải trọng theo phƣơng ph p đ nh gi hệ số tải trọng và hệ số sức kháng..............................................................................................................13 2.1.3. Tính toán khả năng chịu tải C .....................................................................14 2.1.4. Hiệu ứng tải trọng ....................................................................................... 15 2.2. ĐÁNH GIÁ NĂNG LỰC CHỊU TẢI CỦA CẦU HỘI YÊN ....................... 17 2.2.1. Giới thiệu chung ......................................................................................... 17 2.2.2. Đ nh gi tải trọng hợp pháp cầu Hội Yên ..................................................17 2.2.3. Đ nh gi hiện trạng về khả năng chịu lực của kết cấu nhịp ....................... 19 KẾT LUẬN CHƢƠNG 2 ..................................................................................................... 24 CHƢƠNG 3: TÍNH TOÁN TĂNG CƢỜNG SỨC KHÁNG UỐN, SỨC KHÁNG CẮT CỦA DẦM CẦU HỘI YÊN BẰNG TẤM SỢI FRP VÀ SO SÁNH ĐÁNH GIÁ VỚI SỐ LIỆU BAN ĐẦU ......................................................................................... 25 3.1. MỘT SỐ GIẢI PHÁP GIA CƢỜNG TRONG CẦU BÊ TÔNG CỐT THÉP VÀ CẦU THÉP .............................................................................................................25 3.1.1. Gia cƣờng cầu BTCT và BTCT dự ứng lực ...............................................25 3.1.2. Gia cƣờng cầu thép ..................................................................................... 25 3.1.3. Lựa chọn giải ph p gia cƣờng cho một số cầu Hội Yên............................. 26 3.2. THIẾT KẾ GIA CƢỜNG KẾT CẤU NHỊP CẦU HỘI YÊN ...................... 26 3.2.1.Cơ sở tính to n gia cƣờng bằng vật liệu FRP đối với dầm BTCT ..............26 3.2.2. Tính to n tăng cƣờng sức kháng uốn dầm bê tông cốt thép tiêu chuẩn C C ACI220,2R-08 ...............................................................................................................31 3.2.3. Thiết kế gia cƣờng kết cấu nhịp dầm .......................................................... 35 3.3. ĐÁNH GIÁ NĂNG LỰC CHỊU TẢI CẦU HỘI YÊN SAU GIA CƢỜNG ..............44 3.3.1 Hiện trạng cầu Hội Yên sau sửa chữa gia cƣờng và mở rộng ..................... 44 3.3.2 Thử tải cầu với tải trọng tĩnh .......................................................................47 3.3.3 Thử tải động kết cấu nhịp ............................................................................51 R L . T U D KẾT LUẬN CHƢƠNG 3 ..................................................................................................... 53 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ........................................................................................... 54 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI (bản sao) DANH MỤC BẢNG BIỂU Số hiệu Tên bảng Trang Bảng 1.1. Khối lƣợng riêng của các loại vật liệu composite (g/cm3)[11] 7 Bảng 1.2. Hệ số dãn nở nhiệt của các loại vật liệu composite [11] 7 Bảng 2.1. Hệ số tải trọng của hoạt tải theo TTGH 16 Bảng 2.2. Hệ số tải trọng của tải trọng hợp pháp 16 Bảng 2.3. Khoảng cách và tải trọng các trục của xe tải đo 17 Bảng 2.4. Chuyển vị của dầm chủ với tải trọng thử nhịp 1 19 Bảng 2.5. Chuyển vị của dầm chủ với tải trọng thử nhịp 2 19 Bảng 2.6. Các thông số mặt cắt ngang cầu 20 Bảng 2.7. Cƣờng độ bê tông dầm chủ 20 Bảng 2.8. Tính chất cơ lý của bê tông Bảng 2.9. Tính chất cơ lý của cốt thép Bảng 2.10. X c định sức kháng uốn của tiết diện dầm chủ tại giữa nhịp Bảng 2.11. X c định sức kháng cắt của tiết diện dầm chủ tại gối 22 Bảng 2.12. X c định hệ số đ nh gi RF theo mô men 22 Bảng 2.13. X c định hệ số đ nh gi RF theo lực cắt 23 Bảng 3.1. Đặc trƣng hình học của tấm sợi 36 Bảng 3.2. Sức kháng uốn sau hi gia cƣờng 38 Bảng 3.3. X c định hệ số đ nh gi RF đối với mô men 38 Bảng 3.4. X c định hệ số đ nh gi RF đối với lực cắt 39 Bảng 3.5. X c định tải trọng cắm biển 39 Bảng 3.6. X c định hệ số đ nh gi RF đối với mô men 40 Bảng 3.7. X c định hệ số đ nh gi RF đối với lực cắt 40 Bảng 3.8. X c định tải trọng cắm biển 40 Bảng 3.9. X c định hệ số đ nh gi RF đối với mô men 41 Bảng 3.10. X c định hệ số đ nh gi RF đối với lực cắt 41 Bảng 3.11. X c định tải trọng cắm biển 42 Bảng 3.12. X c định hệ số đ nh gi RF đối với mô men 42 C C R L . T U D 20 20 21 Bảng 3.13. X c định hệ số đ nh gi RF đối với lực cắt 43 Bảng 3.14. X c định tải trọng cắm biển 43 Bảng 3.15. Chỉ ti u cơ lý vải FRP đƣợc sử dụng gia cƣờng cầu Hội Yên 45 Bảng 3.16. Khoảng cách và tải trọng các trục của xe tải đo 47 Bảng 3.17. Ứng suất thớ dƣới dầm nhịp 1 và 2 50 Bảng 3.18. Độ võng tại giữa nhịp dầm nhịp 1 và 2 51 Bảng 3.19. Hệ số phân bố ngang các dầm của nhịp 1 và 2 51 Bảng 3.20. Hệ số xung kích các dầm của nhịp 1 và 2 52 Bảng 3.21. Kết quả phân tích tần số và chu kỳ của kết cấu nhịp 1 và 2 52 C C U D R L . T DANH MỤC HÌNH VẼ Số hiệu Tên hình Trang Hình 1.1. Bố trí chung cầu 4 Hình 1.2. Mặt cắt ngang cầu tại trụ 4 Hình 1.3. Mặt cắt ngang cầu tại mố 5 Hình 1.4. Bê tông dầm chủ bị sứt mẻ cục bộ, không bằng phẳng 5 Hình 1.5. Khe co giãn bị hƣ hỏng 6 Hình 2.1. Trình tự đ nh gi tải trọng hợp pháp 13 Hình 2.2. Hai xe tải đo cầu Hội Yên 18 Hình 2.3. Sơ đồ chất tải theo phƣơng dọc cầu 18 Hình 2.4. Sơ đồ chất tải theo phƣơng ngang cầu 18 Hình 3.1. Ứng suất - biến dạng tiết diện chữ T dầm BTCT 27 Hình 3.2. Biến dạng dầm BTCT trƣờng hợp phá hoại đồng thời 27 Hình 3.3. Biểu đồ biến dạng dầm BTCT trƣờng hợp tấm sợi đứt 29 Hình 3.4. Tăng cƣờng sức kháng cắt cho dầm BTCT bằng tấm sợi FRP 35 Hình 3.5. Gia cƣờng dầm chủ theo phƣơng dọc cầu 36 Hình 3.6. Gia cƣờng dầm chủ theo phƣơng ngang cầu 37 Hình 3.7. Biển cắm tải trọng hợp ph p sau gia cƣờng 39 Hình 3.8. Biển cắm tải trọng hợp ph p sau gia cƣờng 41 Hình 3.9. Biển cắm tải trọng hợp ph p sau gia cƣờng 42 Hình 3.10. Biển cắm tải trọng hợp ph p sau gia cƣờng 43 Hình 3.11. Cầu Hội Yên sau sửa chữa và mở rộng 44 Hình 3.12. Mặt cắt ngang cầu trên trụ và mố sau sửa chữa và mở rộng 45 Hình 3.13. Gia cƣờng dầm chủ bằng FRP 46 Hình 3.14. Hệ thống lan can tay vịn cầu cũ 46 Hình 3.15. Hệ thống lan can tay vịn thay mới 47 Hình 3.16. Xe thử tải cầu 13T 47 Hình 3.17: Xếp tĩnh tải và thiết bị đo tại giữa nhịp 1 v 2 theo phƣơng dọc cầu 48 Hình 3.18: Xếp tĩnh tải và thiết bị đo tại giữa nhịp 1 v 2 theo phƣơng ngang cầu 48 Hình 3.19: Chất xe trên nhịp 1 49 C C R L . T U D Hình 3.20: Chất xe trên nhịp 2 50 Hình 3.21. Biển cắm tải trọng hợp ph p sau gia cƣờng 53 Hình 3.22. Biển cắm tải trọng đề xuất sau gia cƣờng 53 C C U D R L . T 1 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Hiện nay các công trình xây dựng phục vụ dân sinh sau một thời gian đƣa v o sử dụng, một số công trình đã uống cấp cần có biện pháp sửa chữa, cải tạo và nâng cấp. Nguyên nhân dẫn đến những hỏng hóc và công trình xuống cấp có thể do nguyên nhân chủ quan v nguy n nh n h c quan nhƣ sau: Nguyên nhân chủ quan: + Trong quá trình thiết kế chƣa đồng bộ các quy chuẩn, tiêu chuẩn; áp dụng các quy chuẩn về tải trọng và dự báo tải trọng chƣa hợp lý. + Trong quá trình thi công các hạng mục thi công chƣa đúng với hồ sơ thiết kế, quy trình, quy phạm. Công t c gi m s t qu trình thi công chƣa đƣợc quan t m đúng mức. + Công tác duy tu, bảo dƣỡng công trình cầu theo định kỳ chƣa có. Nguyên nhân khách quan: + Những yếu tố về ảnh hƣởng môi trƣờng làm việc của các công trình dẫn đến hiện tƣợng các công trình bị ăn mòn g y ra những hƣ hỏng trƣớc thời hạn nhƣ thiết kế C C R L . T ban đầu. + Do nhu cầu vận tải và trọng tải của c c phƣơng tiện giao thông tăng cao, dẫn đến tình trạng cầu thƣờng xuyên làm việc quá tải. Điều này dẫn đến sự xuống cấp, hƣ hỏng của cầu, cầu hông đủ khả nẵng đảm bảo đƣợc nhu cầu cấp thiết về vận chuyển h ng hóa cũng nhƣ tồn tại nguy cơ tiềm ẩn gây mất an toàn giao thông. Tr n cơ sở đó, việc đ nh gi hiện trạng v đề xuất giải pháp thiết kế nâng cao năng lực chịu tải của cầu Hội Yên, thuộc huyện Hòa Vang, TP. Đ Nẵng là rất cần thiết và cấp bách. U D 2. Đối tƣợng nghiên cứu C c cơ sở lý thuyết, mô hình tính toán lý thuyết tăng cƣờng cho dầm BTCT bằng công nghệ dán tấm dẻo sợi carbon. Nghiên cứu sử dụng công nghệ dán tấm dẻo sợi carbon để tăng cƣờng khả năng chịu lực cho kết cấu dầm BTCT. 3. Phạm vi nghiên cứu Đ nh gi năng lực chịu tải và nâng cao khả năng chịu lực của cầu bằng biện pháp gia cƣờng dán sợi FRP cho cầu Hội Yên, huyện Hòa Vang, TP Đ Nẵng. Đề xuất các giải pháp thiết kế nâng cấp sửa chữa cho các cầu nói trên. 4. Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu quá trình xuống cấp, hƣ hỏng kết cấu BTCT v phƣơng ph p đ nh 2 giá mức độ hƣ hỏng của kết cấu BTCT. Nghiên cứu c c đặc trƣng cơ học của vật liệu FRP v đ nh gi những ƣu điểm của vật liệu FRP so với các vật liệu truyền thống. Đ nh gi năng lực chịu tải của cầu Tính toán hiệu quả dầm BTCT tăng cƣờng tấm sợi FRP. 5. Phƣơng pháp nghiên cứu Phƣơng ph p nghi n cứu thực nghiệm kết hợp với lý thuyết. Trong đó: - Phƣơng ph p thực nghiệm: đƣợc áp dụng để thực hiện c c phép đo phục vụ c định năng lực chịu tải thực tế của cầu. - Phƣơng ph p lý thuyết: xây dựng mô hình tính toán lý thuyết nhằm đ nh gi năng lực của kết cấu cầu và lựa chọn giải pháp thiết kế đ p ứng nhu cầu kinh tế - kỹ thuật. 6. Cấu trúc của luận văn Để đạt đƣợc mục tiêu nêu trên, luận văn trình b y trong 03 chƣơng Phần mở đầu C C R L . T Chƣơng 1: Tổng quan về công trình cầu Hội Yên và vật liệu sợi FPR. Chƣơng 2: Đ nh gía năng lực chịu tải của cầu Hội Y n v cơ sở lý thuyết tính to n gia cƣờng cầu bằng vật liệu FRP Chƣơng 3: Tính to n tăng cƣờng sức kháng uốn, sức kháng cắt của dầm cầu Hội Yên bằng tấm sợi FRP v so s nh đ nh gi với số liệu ban đầu. Kết luận và Kiến nghị U D 3 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG TRÌNH CẦU HỘI YÊN VÀ VẬT LIỆU SỢI FPR 1.1. GIỚI THIỆU VỀ CẦU HỘI YÊN 1.1.1. Tiêu chuẩn thiết kế ban đầu Cầu Hội Yên thuộc huyện Hòa Vang, thành phố Đ Nẵng với quy mô và tiêu chuẩn kỹ thuật sau đ y: - Quy mô : Vĩnh cửu bằng BTCT. - Tải trọng thiết kế : 0,5HL93. - Cấp động đất : Động đất cấp 7 (A = 0,1). - Bề rộng cầu - Tần suất thiết kế : B = 0,5 + 3,0 + 0,5 = 4,0m. : P = 15%. C C 1.1.2. Giải pháp kết cấu cầu 1.1.2.1 Kết cấu thượng bộ - Kết cấu nhịp bằng dầm giản đơn BTCT thƣờng 40MPa dạng chữ T, chiều dài dầm L=18m; cắt ngang nhịp bố trí 2 dầm, chiều cao dầm h = 1,28m. - Các dầm đƣợc liên kết với nhau thông qua mối nối và dầm ngang - Lớp phủ mặt cầu bằng BTN hạt trung dày 7cm, lớp phòng nƣớc dạng màng phun. R L . T - Gối cầu bằng thép. U D - Ống tho t nƣớc bằng thép mạ kẽm 100. - Lan can, tay vịn bằng BTCT. 1.1.2.2. Kết cấu hạ bộ - Toàn cầu có 2 mố và 1 trụ. - Mố cầu dạng mố tƣờng chữ U bằng BTCT 20Mpa, - Bản dẫn bằng BTCT 20MPa đổ tại chỗ KT(3x3x0,2)m. - Trụ dạng trụ đặc thân hẹp chữ T bằng BTCT - Gia cố tứ nón bằng đ hộc xây vữa M100 trên lớp dăm sạn đệm dày 10cm. 4 bè trÝ chung cÇu C C Hình 1.1. Bố trí chung cầu R L . T c¾t ngang t¹i trô U D Hình 1.2. Mặt cắt ngang cầu tại trụ 5 c¾t ngang t¹i mè Hình 1.3. Mặt cắt ngang cầu tại mố C C 1.2. TÌNH TRẠNG, CHẤT LƢỢNG CẦU 1.2.1. Các hƣ hỏng và sự cố cầu Hội Yên 1.2.1.1. Kết cấu nhịp - C c ích thƣớc hình học nhƣ chiều cao, chiều rộng, chiều dài, khoảng cách của các kết cấu dầm chủ cơ bản đảm bảo theo đồ án thiết kế. Bề rộng phần đƣờng xe R L . T chạy có sự sai khác 5cm. U D - Dầm BTCT bị sứt mẻ cục bộ, bề mặt không phẳng, không nhẵn (Hình 1.4). - Khe biến dạng cơ bản bị hƣ hỏng nặng, gây nguy hiểm cho phƣơng tiện lƣu thông trên cầu. Hình 1.4. Bê tông dầm chủ bị sứt mẻ cục bộ, không bằng phẳng 6 Hình 1.5. Khe co giãn bị hư hỏng 1.2.1.2. Kết cấu mố trụ - C c ích thƣớc hình học của các kết cấu mố trụ cơ bản đảm bảo theo đồ án thiết kế. - Hình dáng bên ngoài mố trụ cơ bản nhẵn và phẳng, chƣa thấy có vấn đề khác thƣờng. C C R L . T 1.2.1.3. Các kết cấu khác - Kết cấu lan can, tay vịn làm việc bình thƣờng. - Gối cầu làm việc bình thƣờng. Tuy nhiên, xung quanh gối cầu có nhiều rác bẩn, ẩm ƣớt. U D - Khe biến dạng cơ bản ở trạng thái làm việc bình thƣờng. - Lớp phủ mặt cầu bình thƣờng. 1.3. TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU FRP 1.3.1 Đặc tính cấu tạo của tấm composite 1.3.1.1. Nhựa nền Chất kết dính đƣợc sử dụng để gắn kết tấm vật liệu composite và bề mặt bê tông của cấu kiện. Chất kết dính cung cấp đƣờng dẫn tải trọng cắt giữa bề mặt bê tông và hệ thống gia cƣờng tấm vật liệu composite. Chất kết dính cũng đƣợc sử dụng để gắn các lớp vật liệu composite lại với nhau. Vật liệu kết dính đƣợc dùng là keo epoxi, polyester không no hoặc tƣơng tự. Để đóng rắn nhựa nền các chất úc t c đƣợc sử dụng theo h m lƣợng phù hợp. 1.3.1.2. Cốt sợi Các cốt sợi thủy tinh, aramid v c c bon thƣờng đƣợc sử dụng với hệ thống gia cƣờng bằng vật liệu composite. Các cốt sợi này giúp cho hệ thống gia cƣờng về mặt cƣờng độ v độ cứng. 7 1.3.1.3. Lớp áo bảo vệ Lớp áo bảo vệ giúp giữ gìn cốt vật liệu gia cƣờng đã đƣợc kết dính khỏi các tổn hại tiềm năng do t c động môi trƣờng v cơ học. Lớp bảo vệ đƣợc sử dụng ở bề mặt ngoài của hệ thống gia cƣờng; Chúng bao gồm keo epoxy hoặc tƣơng tự, hệ thống kết dính, lớp bảo vệ chống cháy, tạo màu sắc thẩm mỹ,... Nhƣ vậy, độ bền cũng nhƣ hả năng chịu lực của vật liệu composite sẽ phụ thuộc chủ yếu vào các thành phần chính sau: - Vật liệu tạo cốt sợi - Nhựa nền, có thể pha thêm chất độn - Keo dính giữa lớp vật liệu gia cƣờng và bề mặt bê tông Ngoài ra, cách gia cố, cách bố trí vật liệu cũng có ảnh hƣởng tới hiệu quả của việc gia cƣờng. 1.3.2. Đặc tính vật lý của vật liệu composite 1.3.2.1. Khối lượng riêng Vật liệu composite có khối lƣợng riêng trong khoảng từ 1,2 tới 2,1 g/cm3, theo C C R L . T đó nhỏ hơn thép từ 4 đến 6 lần tùy thuộc vào loại cốt sợi hoặc chất độn, xem Bảng 1.1. Việc giảm khối lƣợng riêng giúp giảm giá thành vận chuyển, giảm phần tĩnh tải gia tăng của kết cấu và có thể dễ dàng xử lý vật liệu ở công trƣờng. Bảng 1.1. Khối lượng riêng của các loại vật liệu composite (g/cm3)[11] U D Thép Cốt sợi thủy tinh 7,9 1,2-2,1 Cốt sợi các bon Cốt sợi aramid 1,5-1,6 1,2-1,5 1.3.1.2. Hệ số dãn nở nhiệt Hệ số dãn nở nhiệt của vật liệu composite chịu lực mỗi chiều khác nhau theo phƣơng dọc và ngang tùy thuộc vào kiểu loại cốt sợi, cách dệt, loại nhựa nền và tỷ lệ cốt sợi. Bảng 1.2. Hệ số dãn nở nhiệt của các loại vật liệu composite [11] Thép Hệ số dãn nở nhiệt (× 10-6/°C) GFRP CFRP AFRP Theo chiều dọc, DL 6 tới 10 –1 tới 0 –6 tới –2 Theo chiều ngang, DT 19 tới 23 22 tới 50 60 tới 80 Ghi chú: đây là các giá trị điển hình đối với hàm lượng thể tích cốt sợi thay đổi trong phạm vi 0,5 tới 0,7 8 1.3.1.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ cao Phụ thuộc vào nhiệt độ giới hạn của vật liệu kết dính Tg, mô đun đ n hồi của vật liệu polymer bị giảm đ ng ể do sự thay đổi cấu trúc vật liệu của nó. Giá trị của Tg phụ thuộc vào dạng chất dính kết nhƣng thông thƣờng nằm trong khoảng từ 60°C tới 82°C. Các kết quả thí nghiệm cho thấy, ở nhiệt độ 250°C (cao hơn nhiều so với nhiệt độ giới hạn Tg của vật liệu kết dính) sẽ làm giảm cƣờng độ chịu kéo của các vật liệu cốt sợi thủy tinh cũng nhƣ của các vật liệu cốt sợi các bon tới 20%. C c đặc tính khác bị t c động bởi sự truyền lực cắt qua phần vật liệu kết dính, chẳng hạn nhƣ cƣờng độ chịu uốn, sẽ bị giảm ở nhiệt độ thấp. Lực dính bám mặt tiếp xúc giữa bê tông và vật liệu composite là rất quan trọng. Ở nhiệt độ gần với giá trị nhiệt độ tới hạn của vật liệu kết dính Tg, c c đặc tính cơ học của vật liệu composite bị giảm nhiều và mất khả năng chuyển đổi ứng suất từ bê tông sang vật liệu gia cƣờng. 1.2.3.3 Đặc tính cơ học a) Cường độ chịu kéo C C R L . T Ứng xử kéo của vật liệu này đƣợc biểu diễn bằng quan hệ ứng suất - biến dạng đ n hồi tuyến tính đến khi bị phá hoại, v trong trƣờng hợp này sự phá hoại l đột ngột và giòn. Cƣờng độ chịu éo v độ cứng của vật liệu cốt sợi composite phụ thuộc vào nhiều tham số. Vì các sợi là thành phần chịu tải chính, nên kiểu cốt sợi, chiều sắp xếp của cốt sợi, lƣợng cốt sợi v phƣơng ph p cũng nhƣ điều kiện chế tạo cốt sợi ảnh U D hƣởng tới đặc tính chịu kéo của vật liệu này. b) Ứng xử nén Mô đun đ n hồi nén thƣờng nhỏ hơn so với mô đun đ n hồi kéo. Các kết quả thí nghiệm với composite cốt sợi thủy tinh h m lƣợng 55-60% trên nền nhựa polyester cho thấy mô đun đ n hồi có giá trị trong khoảng từ 34000 Mpa đến 48000 MPa. Mô đun đ n hồi nén xấp xỉ 80% mô đun đ n hồi éo đối với vật liệu GFRP, 85% đối với CFRP v 100% đối với AFRP[11]. 1.2.3.4 Ứng xử theo thời gian của kết cấu sau gia cường a) Phá hoại do từ biến Vật liệu composite chịu một tải trọng là hằng số sau một thời gian có thể bị phá hủy. Thời gian n y đƣợc gọi là tuổi thọ của vật liệu. Dạng phá hoại n y đƣợc gọi là phá hoại từ biến. Tuổi thọ giảm trong điều kiện môi trƣờng nhiệt độ tăng, t c động của tia tử ngoại, hoặc chịu t c động khô ẩm liên tục. Cốt sợi các bon ít bị phá hoại do từ biến ít nhất. Cốt sợi aramid ở mức trung bình và cố sợi thủy tinh có nguy cơ cao nhất. Các nghiên cứu về phá hoại từ biến đƣợc 9 thực hiện với cốt sợi thủy tinh, aramid và các bon với nhiều mức tải trọng khác nhau ở nhiệt độ phòng cho thấy có quan hệ tuyến tính giữa cƣờng độ phá hoại do từ biến và logarithm của thời gian. Tỷ số ứng suất tại thời điểm phá hoại sau 50 năm so với ứng suất tới hạn khởi điểm của vật liệu GFRP, AFRP và CFRP lần lƣợt khoảng 0,3, 0,5 và 0,9. b) Phá hoại do mỏi Các thí nghiệm cho thấy vật liệu composite có độ bền tƣơng tự nhƣ c c vật liệu kim loại[11]. Để đảm bảo tuổi thọ mỏi trong hai th c, bi n độ ứng suất trong vật liệu dƣới tác dụng của tải trọng thƣờng đƣợc khống chế. Nhờ vật liệu có cƣờng độ chịu kéo cao, nên những yêu cầu về độ bền mỏi dễ d ng đƣợc đảm bảo. C C U D R L . T 10 KẾT LUẬN CHƢƠNG 1 Qua kết quả kiểm tra khảo sát các cầu Hội Yên cho thấy rằng các cầu BTCT có c c hƣ hỏng phổ biến đó l lớp bê tông bảo vệ mặt cầu bị bong tróc, hƣ hỏng cục bộ, bề mặt không phẳng, không nhẵn; dầm BTCT bị nứt, vết nứt phát triển từ đ y dầm đến trục trung hòa, độ võng các dầm hông đều nhau. Từ những kết quả khảo s t c c hƣ hỏng nêu trên, việc đ nh gi năng lực chịu tải của cầu để có giải pháp sửa chữa, nâng cấp là rất cần thiết trong giai đoạn hiện nay; đồng thời đ nh gi lại việc cắm biển tải trọng cầu tại thời điểm khảo sát so với QCVN 41:2016/BGTVT của Bộ GTVT để các loại xe có số lƣợng trục khác nhau, có tải trọng khác nhau có thể hợp pháp qua cầu mà không gây nguy hiểm cho kết cấu. Từ đó, đề xuất các giải pháp nâng cấp sửa chữa. C C U D R L . T 11 CHƢƠNG 2 ĐÁNH GÍA NĂNG LỰC CHỊU TẢI CỦA CẦU HỘI YÊN VÀ CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN GIA CƢỜNG CẦU BẰNG VẬT LIỆU FRP 2.1. CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ CẦU [2] Theo tiêu chuẩn AASHTO, đối với công trình cầu đƣờng bộ hiện nay có 3 phƣơng ph p đã dùng để đ nh gi tải trọng: - Đ nh gi theo hệ số tải trọng và hệ số sức kháng (LRFR) [2]. - Đ nh gi theo ứng suất cho phép (ASR) [2]. - Đ nh gi theo hệ số tải trọng (LFR) [2]. Về nguyên tắc, bất kỳ phƣơng ph p n o cũng có thể dùng để đ nh gi tải trọng khai thác của cầu. Tuy nhiên, ở Việt Nam phƣơng ph p đ nh gi theo hệ số tải trọng và hệ số sức kháng (LRFD) là phù hợp với tiêu chuẩn thiết kế cầu 22TCN 272-05 nên đƣợc áp dụng rộng rãi. C C R L . T Thông thƣờng hi đ nh gi cầu chỉ xét tải trọng thƣờng xuyên và tải trọng xe. Không xét va xô của tầu, thuyền, gió, lũ, hỏa hoạn, động đất. Các cầu nhịp lớn, cầu di động và các cầu phức tạp cần bổ sung th m ti u chí đ nh gi nếu cần thiết. U D 2.1.1. Đánh giá cầu theo hệ số sức kháng và hệ số tải trọng [2] Đ nh gi cầu theo hệ số sức kháng và hệ số tải trọng bao gồm ba nội dung: - Đ nh gi tải trọng thiết kế. - Đ nh gi tải trọng hợp pháp. - Đ nh gi tải trọng cấp phép. Trong phạm vi đề tài chỉ chú trọng đến hai cấp đ nh gi tải trọng l đ nh gi tải trọng thiết kế v đ nh gi tải trọng hợp ph p để đ nh gi tải trọng cầu phục vụ cắm biển hạn chế tải trọng cầu theo QCVN41:2016/BGTVT. Khi cần đ nh gi tải trọng cấp phép thì thực hiện theo Hƣớng dẫn đ nh gi cầu AASHTO 2014. 2.1.1.1. Đánh giá tải trọng thiết kế Theo phƣơng ph p đ nh gi cầu theo hệ số tải trọng và sức kháng, tải trọng đ nh gi cấp thiết kế là hoạt tải HL93. Tải trọng đ nh gi cấp thiết kế đƣợc đ nh gi ở 02 cấp độ: - Độ tin cậy ở cấp độ thiết kế Inventory Rating (viết tắt là IR) kết cấu cầu có thể sử dụng cầu an toàn trong tuổi thọ thiết kế. - Độ tin cậy cấp thấp hơn Operating Rating (viết tắt l OR) l đ nh gi với hoạt tải cho phép lớn nhất có thể qua cầu, khi khai thác không giới hạn ở cấp độ OR sẽ làm 12 giảm tuổi thọ của công trình cầu. Các cầu đạt với kiểm toán hoạt tải thiết kế ở cấp độ IR (hệ số đ nh gi RF ≥ 1) thì cũng đạt hi đ nh gi cho tải trọng thiết kế cấp OR và mọi tải trọng hợp pháp.Hệ số RF đƣợc c định nhƣ sau: RF  C   DC DC   DW DW   P P  LL 1  IM  LL Trong đó:  DC (2.1) là hệ số tải trọng của trọng lƣợng bản thân kết cấu;  DW là hệ số tải trọng của trọng lƣợng lớp phủ mặt cầu; P là hệ số tải trọng của tải trọng thƣờng xuyên không phải của kết cấu;  LL là hệ số tải trọng của hoạt tải; DC làhiệu ứng do tải trọng bản thân kết cấu gây ra; DW làhiệu ứng do tải trọng lớp phủ mặt cầu gây ra; P làhiệu ứng do tải trọng thƣờng xuyên không phải kết cấu gây ra; LL làhiệu ứng do hoạt tải gây ra; IM làtải trọng xung kích. C C R L . T U D 2.1.1.2. Đánh giá tải trọng hợp pháp Tải trọng hợp pháp là các xe 3, 3-S2 và 3-3, cụ thể nhƣ sau: - Xe 3 có ba trục, chiều d i cơ sở 5,7m, tải trọng 223kN; - Xe 3-S2 có 5 trục, chiều d i cơ sở 12,5m, tải trọng 321kN; - Xe 3-3 có 6 trục, chiều d i cơ sở 16,5m, tải trọng 356kN. Khi đ nh gi tải trọng hợp pháp (xe 3, 3-S2 và 3-3), nếu chiều dài nhịp lớn hơn 24m thì ngoài xe hợp pháp còn có các xe khác trên nhịp, tải trọng của c c e n y đƣợc thay bằng tải trọng làn lấy là 3kN/m.[2] Việc đ nh gi tải trọng hợp pháp chỉ tiến hành khi hệ số đ nh gi tải trọng thiết kế cấp OR nhỏ hơn 1. Khi đó cần phải cắm biển hạn chế tải trọng (biển 505b) theo QVCN 41-2016.[2] 2.1.1.3. Đánh giá tải trọng cấp phép Đ y l cấp đ nh gi tải trọng thứ ba, cấp này chỉ áp dụng cho các cầu không cắm biển hạn chế tải trọng, nghĩa l hi đ nh gi tải trọng thiết kế v đ nh gi tải trọng hợp pháp có hệ số đ nh gi RF ≥ 1. Đ nh gi tải trọng cấp phép là kiểm toán sự an toàn và khả năng chịu tải của cầu trong quá trình cấp phép cho c c phƣơng tiện có tải trọng vƣợt quá giới hạn cho phép.