Tài liệu Luận chứng lựa chọn biện pháp gia cường lực kháng uốn của cầu dầm bê tông cốt thép thường dựa vào kết quả thực nghiệm

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -------------------------------------- NGỤY QUANG MINH LUẬN CHỨNG LỰA CHỌN BIỆN PHÁP GIA CƢỜNG SỨC KHÁNG UỐN CỦA CẦU DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP THƢỜNG DỰA VÀO KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng Công trình Giao thông Mã số: 60.58.02.05 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. CAO VĂN LÂM Đà Nẵng – Năm 2017 iii LUẬN CHỨNG LỰA CHỌN BIỆN PHÁP GIA CƢỜNG SỨC KHÁNG UỐN CỦA CẦU DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP THƢỜNG DỰA VÀO KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM Học viên: Ngụy Quang Minh. Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng Công trình Giao thông Mã số: 60.58.02.05. Khóa: K31.XGT. Trường Đại học Bách khoa - ĐH Đà Nẵng Tóm tắt - Để giải quyết vấn đề giữ vững hoặc nâng cấp trạng thái kỹ thuật của mạng lưới cầu bê tông cốt thép thường trên hệ thống đường bộ của tỉnh Trà Vinh nói riêng hoặc cả nước nói chung trong điều kiện nguồn ngân sách hạn hẹp như hiện nay thì việc nghiên cứu các biện pháp gia cường cầu đang là nhu cầu rất cấp thiết. Trong thực tế thì hiện nay cũng đã sử dụng nhiều biện pháp để gia cường cầu như: sử sụng cáp dự ứng lực căng ngoài, dán các vật liệu tăng cường khả năng kháng uốn, mở rộng tăng cường tiết diện chịu uốn…Tuy nhiên, biện pháp tăng cường thì có nhiều nhưng sử dụng biện pháp nào là tối ưu nhất: hiệu quả về kinh tế, hiệu quả về sức kháng hay ưu điểm về biện pháp thi công cũng như khả năng bảo dưỡng trong tương lai… thì chưa được nghiên cứu kỹ lưỡng. Cho nên với sự phát triển của khoa học kỹ thuật hiện nay (các loại vật liệu mới được chế tạo (tấm sợi composite, keo, công nghệ thi công mới…)) thì tác giả thực hiện nghiên cứu về các biện pháp gia cường trên mô hình thực nghiệm nhằm đánh giá được biện pháp gia cường nào là hiệu quả nhất, tối ưu nhất…Để trong tương lai khi cần gia cường kết cấu thì ta sẽ có ngay kết quả nên sử dụng biện pháp nào là phù hợp, là đạt hiệu quả cao nhất. Từ khóa - biện pháp gia cường; bê tông cốt thép thường; tấm sợi composite; thực nghiệm; cầu. SUBSTANTIATION CHOOSES THE METHOH OF STRENGTHENING BENDING RESISTANCE ABILITY FOR REINFORCED CONCRETE BEAM BRIDGES GENERALLY BASE ON EXPERIMENTAL RESULTS Abstract - To maintain or upgrad technical status of reinforced concrete beam bridge generally network of the road system in Tra Vinh Province in particular and nationwide in general in the current limited budget conditions, it is very urgent to study bridge reinforcement measures. In fact, a number of measures have been taken to strengthen the bridge, such as, the use of external pre-stressed cables, insertion of materials to improve bending resistance ability, expansion to increase bending section, etc. However, the question “what is the most effective measure for economic efficiency, resistance efficiency or advantages of method statement as well as maintenance ability in the future?” has not been thoroughly studied and answered. Therefore, to find the solution to the problem, based on the development of current engineering technology (new materials have been made (composite fiber glasses, glue, new construction technologies, etc)), The author undertakes this study on strengthening measure in experimental models to evaluate which is the most effective and optimal method. The purpose of this study is that when it is necessary to strengthen the structure in the future, we will immediately find the most appropriate and effective measure. Key words - Reinforcement measures; Reinforced concrete; Composite fiber; experiment; bridge. iv MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN.................................................................................................................i LỜI CAM ĐOAN ..........................................................................................................ii MỤC LỤC ....................................................................................................................iv DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT .............................................................................vi DANH MỤC BẢNG....................................................................................................vii DANH MỤC HÌNH .....................................................................................................ix MỞ ĐẦU ........................................................................................................................ 1 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC BIỆN PHÁP GIA CƢỜNG SỨC KHÁNG UỐN................................................................................................................................ 3 1.1. T ng quan về cầu bê tông cốt thép thường: ............................................................. 3 1.2. Các biện pháp gia cường của cầu cũ hiện nay: ........................................................ 3 1.2.1. Gia cường bằng căng cáp DƯL ngoài: ................................................................. 3 1.2.2. Gia cường bằng bản thép: ..................................................................................... 9 1.2.3. Gia cường bằng vật liệu Composite:................................................................... 10 1.2.4. Gia cường bằng tăng cường tiết diện: ................................................................. 18 1.3. Xu hướng áp dụng của các biện pháp gia cường: .................................................. 19 1.5. Lý do chọn đề tài, mục tiêu của đề tài: .................................................................. 21 CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT .......................................................................... 23 2.1. Phương pháp tính toán truyền thống: ..................................................................... 23 2.1.1. Các giả thiết: ....................................................................................................... 23 2.1.2. Tính toán dầm chưa gia cường: .......................................................................... 23 2.1.3. Tính toán gia cường bằng dán bản thép [2]: ....................................................... 25 2.1.4. Tính toán gia cường dán tấm FRP [3]:................................................................ 25 2.1.5. Tính toán gia cường bằng tăng cường tiết diện [2]: ............................................ 28 2.2 Bài toán quy đ i và tính toán dầm thực tế: ............................................................. 29 2.2.1 Cơ sở quy đ i: ...................................................................................................... 29 2.2.2 Tính toán kích thước dầm thực nghiệm: .............................................................. 30 2.3 Tính toán gia cường dầm thực tế: ........................................................................... 31 2.3.1. Sức kháng uốn dầm chưa gia cường [2]: ............................................................ 32 2.3.2. Tính toán gia cường kháng uốn bằng bản thép [2]: ............................................ 32 2.3.3. Tính toán gia cường bằng tấm CFRP [3]: ........................................................... 32 2.3.4. Tính toán gia cường bằng tấm GFRP [3]:........................................................... 34 2.3.5. Tính toán mở rộng tiết diện [2]: .......................................................................... 36 2.4. Tính toán dầm thực nghiệm bằng phương pháp truyền thống: .............................. 37 2.4.1. Sức kháng uốn dầm chưa gia cường [2]: ............................................................ 37 2.4.2. Tính toán gia cường kháng uốn bằng dán bản thép [2]: ..................................... 37 2.4.3. Tính toán gia cường bằng dán tấm CFRP [3]: .................................................... 38 v 2.4.4. Tính toán gia cường bằng dán tấm GFRP [3]: .................................................... 40 2.4.5 Tính toán mở rộng tiết diện [2]: ........................................................................... 42 2.5. Kết luận: ................................................................................................................. 42 CHƢƠNG 3: LUẬN CHỨNG LỰA CHỌN BIỆN PHÁP GIA CƢỜNG TỪ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM ............................................................................................... 44 3.1. Kết quả thực nghiệm: ............................................................................................. 44 3.1.1. Đánh giá hiệu quả gia cường sức kháng uốn: ..................................................... 44 3.1.2. Đánh giá quan hệ tải trọng - độ võng, tải trọng - ứng suất giữa lý thuyết và thực nghiệm: ......................................................................................................................... 44 3.2. So sánh và đánh giá hiệu quả các phương pháp gia cường:................................... 50 3.2.1. Khối lượng vật liệu sử dụng gia cường:.............................................................. 50 3.2.2. Kết quả về hiệu quả sau khi gia cường từ thực nghiệm: ..................................... 52 3.2.3. Giá trị dự toán của các biện pháp gia cường:...................................................... 53 3.2.4. Đánh giá theo tiêu chí về thi công: ..................................................................... 61 3.2.5. Tham khảo kết quả của những nghiên cứu trước đây: ........................................ 61 3.3. Kết luận: ................................................................................................................. 62 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ. ................................................................................... 64 TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................... 65 PHỤ LỤC..................................................................................................................... 66 vi DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT BTCT DƯL TCTD FRP GFRP CFRP AFRP TCN TTGH CĐ TTGH SD : Bê tông cốt thép : Dự ứng lực : Tăng cường tiết diện : Fiber Reinforced Polymer (Vật liệu Polime) : Glass Fiber Reinforced Polymer (Vật liệu Polime sợi thủy tinh) : Cacbon Fiber Reinforced Polymer (Vật liệu Polime sợi cacbon) : Aramid Fiber Reinforced Polymer (Vật liệu Polime sợi aramid) : Tiêu chuẩn ngành : Trạng thái giới hạn Cường độ : Trạng thái giới hạn Sử dụng vii DANH MỤC BẢNG Số hiệu bảng 1.1 1.2 2.1 2.2 2.3 2.4 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 3.10 3.11 3.12 3.13 P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 P9 P10 P11 P12 P13 P14 Tên Bảng Trang So sánh đặc trưng ba loại sợi theo Meier 1994 So sánh các đặc trưng cơ học của các loại sợi khác nhau với thép Thông số kĩ thuật của dầm thực tế Thông số kỹ thuật của dầm thực nghiệm. T hợp nội lực theo TTGH CĐ Quy đ i kích thước vật liệu gia cường Momen giới hạn lý thuyết và thực nghiệm Phương án 1: Gia cường bằng bản thép Phương án 2: Gia cường bằng CFRP kết hợp keo Sikadur 330 Phương án 3: Gia cường bằng CFRP kết hợp keo Epoxy TCK 1400 Phương án 4: Gia cường bằng GFRP kết hợp keo Sikadur 330 Phương án 5: Gia cường bằng GFRP kết hợp keo Epoxy TCK 1400 Phương án 6: Gia cường bằng tăng cường tiết diện bê tông cốt thép Bảng t ng hợp hiệu quả thực nghiệm Bảng dự toán hạng mục công trình Bảng t ng hợp chi phí xây dựng chi tiết từng biện pháp gia cường Bảng đánh giá về hiệu quả kinh tế của các biện pháp gia cường Bảng hiệu quả gia cường theo tải trọng giới hạn Bảng xếp hạng hiệu quả các biện pháp gia cường Số liệu vẽ biểu đồ hình 3.1 Số liệu vẽ biểu đồ hình 3.2 Số liệu vẽ biểu đồ hình 3.3 Số liệu vẽ biểu đồ hình 3.4 Số liệu vẽ biểu đồ hình 3.5 Số liệu vẽ biểu đồ hình 3.6 Số liệu vẽ biểu đồ hình 3.7 Số liệu vẽ biểu đồ hình 3.8 Số liệu vẽ biểu đồ hình 3.9 Số liệu vẽ biểu đồ hình 3.10 Số liệu vẽ biểu đồ hình 3.11 Số liệu vẽ biểu đồ hình 3.12 Bảng báo giá công trình Bảng phân tích vật tư hạng mục công trình Phương án 1 12 13 30 31 32 36 44 50 50 50 51 51 51 52 53 58 60 61 61 66 66 66 66 67 67 68 69 69 70 71 72 72 73 viii P15 P16 P17 P18 P19 Bảng phân tích vật tư hạng mục công trình Phương án 2 Bảng phân tích vật tư hạng mục công trình Phương án 3 Bảng phân tích vật tư hạng mục công trình Phương án 4 Bảng phân tích vật tư hạng mục công trình Phương án 5 Bảng phân tích vật tư hạng mục công trình Phương án 6 74 75 76 77 78 ix DANH MỤC HÌNH Số hiệu hình 0.1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.8 1.9 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.6 2.7 2.8 2.9 2.10 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 3.10 3.11 3.12 Tên hình Tính cấp thiết của đề tài Gia cường bằng căng cáp DƯL ngoài theo sơ đồ thẳng. Gia cường bằng căng cáp DƯL ngoài theo sơ đồ gãy khúc Sơ đồ căng cáp DƯL ngoài theo sơ đồ thẳng Sơ đồ căng cáp DƯL ngoài theo sơ đồ gãy khúc. Sơ đồ căng cáp DƯL ngoài theo sơ đồ gãy khúc tại giữa nhịp Gia cường bằng bản thép dầm BTCT thường Gia cường bằng tăng cường tiết diện. Mặt cắt ngang dầm chưa gia cường Mô hình tính toán gia cường sức kháng uốn bằng dán bản thép Mô hình tính toán gia cường sức kháng uốn bằng dán tấm FRP Mô hình tính toán gia cường sức kháng uốn bằng tăng cường tiết diện. Mặt cắt ngang dầm thực tế. Mặt cắt ngang dầm thí nghiệm. Dầm thí nghiệm đã nén nứt, chưa gia cường, để nén đối chứng. Dầm thí nghiệm gia cường dán bản thép. Dầm thí nghiệm gia cường bằng tấm CFRP với keo Sikadur 330. Dầm thí nghiệm gia cường bằng tấm GFRP với keo Sikadur 330 Dầm thí nghiệm gia cường bằng mở rộng tiết diện Quan hệ tải trọng - độ võng quá trình nén tạo nứt dầm Quan hệ tải trọng - ứng suất quá trình nén tạo nứt dầm Quan hệ tải trọng - ứng suất dầm đối chứng Quan hệ tải trọng - độ võng dầm đối chứng Quan hệ tải trọng - ứng suất dầm gia cường mở rộng tiết diện Quan hệ tải trọng - độ võng dầm gia cường mở rộng tiết diện Quan hệ tải trọng - ứng suất dầm gia cường bản thép Quan hệ tải trọng - độ võng dầm gia cường bản thép Quan hệ tải trọng - ứng suất dầm gia cường CFRP Quan hệ tải trọng - độ võng dầm gia cường CFRP Quan hệ tải trọng - ứng suất dầm gia cường GFRP Quan hệ tải trọng - độ võng dầm gia cường GFRP Trang 1 4 5 6 7 7 9 18 23 25 25 29 30 31 37 37 39 41 42 45 45 46 46 47 47 48 48 48 49 49 49 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài: Với việc phát triển nhanh chóng hiện nay của các ngành khoa học kỹ thuật, công nghệ dẫn đến những nhu cầu về kinh tế, văn hóa, xã hội… cũng tăng theo. Bên cạnh việc đáp ứng kịp những nhu cầu đó thì việc xây dựng, phát triển cơ sở hạ tầng kỹ thuật, giao thông, vận tải… là hết sức cần thiết. Để phát triển mạng lưới hạ tầng giao thông, song song với việc xây dựng mới thì việc duy trì sửa chữa các công trình cũ phải được chú trọng phù hợp với định hướng phát triển hạ tầng giao thông. Hằng năm, luôn có rất nhiều nguồn ngân sách để phục vụ cho việc này, tuy nhiên vẫn chưa đủ để đáp ứng cho số lượng lớn cầu cũ ở nước ta. Cụ thể hiện trạng cơ sở hạ tầng giao thông trên địa bàn tỉnh Trà Vinh với mạng lưới đường đi qua gồm: Quốc lộ 53, Quốc lộ 54, Quốc lộ 60, hệ thống mạng lưới đường tỉnh từ Đường tỉnh 911, Đường tỉnh 912, Đường tỉnh 913, Đường tỉnh 914, Đường tỉnh 915, Đường tỉnh 915B và các đường huyện (Hương lộ 1… Hương lộ 51, Hương lộ 81) [1]. Trong đó: + Trên các tuyến đường tỉnh có 34 cây cầu, với t ng chiều dài 2.257,7m, chủ yếu có kết cấu bê tông cốt thép thường, bê tông cốt thép dự ứng lực, thép,…, một số cầu có tải trọng chưa đồng bộ với hệ thống đường. + Chiều dài các cầu hệ thống đường huyện với t ng cộng 3.609,8m. Chất lượng cầu không đồng bộ còn nhiều cầu thép, cầu gỗ có tải trọng thấp <3T. Đặc biệt, các cầu trên Hương lộ 30 có tải trọng rất thấp, còn nhiều cầu gỗ, tải trọng yếu. Trước thực trạng đó, việc nghiên cứu lựa chọn biện pháp gia cường sức kháng uốn của cầu dầm bê tông cốt thép thường dựa vào kết quả thực nghiệm nhằm nâng cao khả năng chịu tải của cầu cũ đặc biệt là cầu bê tông cốt thép thường ở nước ta hiện nay là rất cần thiết bởi số lượng cầu bê tông cốt thép thường chiếm tỉ lệ khá lớn và giải quyết được bài toán giữ vững trạng thái kỹ thuật của mạng lưới cầu trên đường ô tô trong điều kiện nguồn ngân sách hạn hẹp như hiện nay. Hình 0.1: Tính cấp thiết của đề tài 2 2. Đối tƣợng nghiên cứu: - Các công trình cầu bê tông cốt thép thường. - Các loại tấm sợi composite, keo Sikadur, keo Epoxy. - Các công nghệ gia cường công trình cầu. 3. Phạm vi nghiên cứu: - Nghiên cứu biện pháp và công nghệ gia cường. - Tính toán gia cường sức kháng uốn. - Kiểm chứng bằng thực nghiệm khi gia cường bằng sức kháng uốn. - Giá thành của các biện pháp gia cường. 4. Mục tiêu nghiên cứu: - Tính toán sức kháng bằng lý thuyết tính toán. - Nghiên cứu sự làm việc đồng thời của vật liệu gia cường và bê tông cốt thép. - Kiểm chứng hiệu quả gia cường bằng mô hình thực nghiệm. - Đánh giá hiệu quả về kinh tế, hiệu suất, điều kiện phát triển trong tương lai. 5. Phƣơng pháp nghiên cứu: Tính toán gia cường cho công trình cầu bê tông cốt thép thường thực tế, sau đó quy đ i về mô hình dầm thực nghiệm tương đương thông qua độ cứng. Trên mô hình dầm thực nghiệm này, tác giả tiến hành: - Nghiên cứu cơ sở lý thuyết. - Nghiên cứu trên mô hình thực nghiệm. - So sánh, đánh giá hiệu quả nghiên cứu. 6. Kết cấu của đề tài: Chƣơng 1: Tổng quan về các biện pháp gia cƣờng sức kháng uốn 1.1. T ng quan về cầu bê tông cốt thép thường 1.2. Các biện pháp gia cường của cầu cũ hiện nay 1.3. Xu hướng áp dụng của các biện pháp gia cường 1.4. Những vấn đề còn gặp phải của công tác sửa chữa, gia cường cầu 1.5. Lý do chọn đề tài, mục tiêu của đề tài Chƣơng 2: Cơ sở lý thuyết 2.1. Phương pháp tính toán truyền thống 2.2. Bài toán quy đ i và tính toán dầm thực tế 2.3. Tính toán gia cường dầm thực tế 2.4. Tính toán dầm thực nghiệm bằng phương pháp truyền thống 2.5. Kết luận Chƣơng 3: Luận chứng lựa chọn biện pháp gia cƣờng từ kết quả thực nghiệm 3.1. Kết quả thực nghiệm 3.2. So sánh và đánh giá hiệu quả các phương pháp gia cường 3.3. Kết luận Kết luận và kiến nghị 3 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÁC BIỆN PHÁP GIA CƢỜNG SỨC KHÁNG UỐN 1.1. Tổng quan về cầu bê t ng cốt th p thƣờng: Bê tông bắt đầu được sử dụng trong xây dựng từ khi xi măng pooc lăng ra đời, khoảng những năm 20 của thế kỉ XIX. Thoạt đầu bê tông không cốt thép được sử dụng trong kết cấu chủ yếu chịu nén như móng, mố trụ cầu, cầu vòm thay cho đá xây dựng trước đây. Dần dần phát sinh ý tưởng tăng cường khả năng chịu uốn bằng cách bố trí cốt thép vào các khu vực chịu kéo do uốn. Cuối thế kỷ XVIII đầu thế kỉ XIX cốt thép đã dùng trong kết cấu đá xây vào nhiều công trình như mái nhà, tháp cầu treo và trong các đập thủy lợi ... Ứng dụng đầu tiên của bê tông cốt thép là vào khoảng những năm 50 của thế kỷ XIX khi Anh, Mỹ và Pháp công bố các phát minh. Năm 1875-1877, lần đầu tiên Monier dùng bê tông cốt thép trong xây dựng cầu. Chiếc cầu bê tông cốt thép đầu tiên do Monier xây dựng là một chiếc cầu vòm bản nhịp 16m rộng 4m dùng cho người đi bộ. Sang đầu thế kỷ XX bê tông cốt thép đã trở thành loại vật liệu chính trong xây dựng cầu. Ở Việt Nam cầu BTCT phát triển tương ứng với các giai đoạn lịch sử đấu tranh giành độc lập, giữ nước và xây dựng đất nước. Thời kỳ trước Cách mạng tháng 8: vào thời kỳ này, đã có nhiều cầu thuộc hệ thống nhịp bản, dầm hẫng, dầm giản đơn, vòm BTCT thường với nhịp 2m đến 20m được xây dựng trên tuyến đường sắt và đường bộ. Ví dụ chỉ trên tuyến đường sắt Hà Nội – TP Hồ Chí minh có khoảng hơn 600 cầu BTCT nhịp từ 8m đến 11m xây dựng từ năm 1927 - 1932, đến nay vẫn còn tận dụng được sau khi gia cố sửa chữa nhiều đợt. Thời kỳ sau Cách mạng tháng 8 - 1945 đến năm 1954: đây là thời kỳ kháng chiến chống Pháp nên hầu như rất ít cầu BTCT được xây dựng mới. Thời kỳ từ năm 1954 đến 1990: nhiều cầu BTCT thường thuộc hệ bản, dầm giản đơn, dầm hẫng bê tông tại chỗ đã được xây dựng Thời kỳ từ năm 1990 đến nay: đây là thời kỳ quan hệ đối ngoại được mở rộng và các công nghệ tiên tiến của thế giới được chuyển giao vào nước ta. Nên cầu BTCT được thay thế bằng cầu BTCT DƯL. 1.2. Các biện pháp gia cƣờng của cầu c hiện nay: 1.2.1. Gia cường bằng căng cáp DƯL ngoài: a) Phạm vi áp dụng: Ngoài việc dùng cáp DƯL trong việc chế tạo dầm, việc dùng cáp DƯL để gia cường cho cầu được nghĩ tới khi các công trình cầu này xuống cấp, không đáp ứng các yêu cầu về tải trọng cũng như độ võng. Vì biện pháp dùng cáp DƯL để gia cường cho cầu có chi phí tương đối rẻ (rẻ so với việc xây dựng công trình cầu mới). Biện pháp dự ứng lực ngoài được sử dụng như là 1 phương pháp để tăng cường và nâng cấp kết cấu bê tông nhằm cải thiện khả năng khai thác của kết cấu bê tông 4 hiện hữu. Tương tự như kết cấu bê tông dự ứng lực, giải pháp dự ứng lực ngoài có thể sử dụng để giảm hay chống lại việc hình thành vết nứt của bê tông. Nó cũng có thể sử dụng để giảm hay làm thu hẹp bề rộng vết nứt hữu hiệu. Tác dụng của việc này làm tăng khả năng của kết cấu chống lại hiện tượng gỉ cốt thép. Biên độ ứng suất trong bê tông có thể giảm do tăng lực chịu mỏi của kết cấu. Sự hiện diện của độ võng quá mức trong các dầm bê tông có thể được loại bỏ hoàn toàn. Phương pháp gia cường bằng căng cáp DƯL ngoài được áp dụng trong các trường hợp sau: - Dùng để chủ động khép kín các vết nứt và nâng cấp các dầm cầu BTCT, BTCT DƯL. - Thay thế các bó cáp cũ đặt trong bê tông bằng các bó cáp DƯL căng ngoài - Liên tục hóa các dầm giản đơn thành các nhịp liên tục 3 nhịp, 4 nhịp, 5 nhịp. - Các nhịp dầm BTCT thực hiện không có bản ngăn, có thể dùng DƯL căng ngoài căng theo chiều dọc để triệt tiêu các vết nứt và dùng cáp ngang để thực hiện các bản ngăn b sung. b) Nguyên tắc cấu tạo:  Nguyên lý công nghệ: Sử dụng các lực dọc trục và mômen ngược dấu tải trọng để tăng sức kháng uốn của dầm và nâng cao khả năng chống nứt, tăng khả năng chịu cắt của kết cấu. Hệ thống neo sử dụng giống như hệ thống neo sử dụng trong kết cấu BTCT DƯL thông thường. Các neo có thể cố định tại các bộ phận khác nhau của bản mặt cầu như tại khối đầu dầm, dầm ngang, sườn dầm hay bản cánh.  Giải pháp công nghệ: Sơ đồ đường đi của cáp DƯL: đường đi của cáp DƯL ngoài theo sơ đồ thẳng hoặc gãy khúc. - Sơ đồ thẳng có ưu điểm là đơn giản, dễ thi công vì không phải bố trí cấu tạo phức tạp ở điểm gãy khúc. Mất mát ứng suất do ma sát trong cáp rất nhỏ nhưng lại có hiệu quả không cao và lực chống cắt của kết cấu ít được cải thiện. 1 2 3 Tàng cæåìng dáöm cáöu BTCT bàòng DÆL ngoaìi tuyãún caïp thàóng 1 - Dầm BTCT; 2 - Vấu neo cáp DƯL ngoài; 3 - Cáp DƯL ngoài 1 - Dáöm chuí BTCT Hình 1.1: Gia cường bằng căng cáp DƯL ngoài theo sơ đồ thẳng. 2 - Váúu neo caïp DÆL ngoaìi 3 - Caïpcáp DÆL ngoaì i - Sơ đồ gãy khúc: tuyến gãy khúc đi theo sát biên độ mô men uốn hơn và tăng cường được sức chống cắt của dầm. Tuy nhiên tuyến cáp dạng này phải tạo ra các chi tiết chuyển hướng, làm tăng tĩnh tải và việc thi công khó khăn hơn. 5 1 2 4 3 1 - Dầm BTCT; 2Tàng - Vấu neo cáp DƯL ngoài; 3 - Cáp DƯL ngoài; cæåìng dáöm cáöu BTCT bàòng DÆL ngoaìi bàòng tuyãún caïp gaîy khuïc - Vấu 1 - Dáö4 m chuí BTCT chuyển hướng 2 - Váúucăng neo caïpcáp DÆL DƯL ngoaìi ngoài theo sơ đồ gãy khúc. Hình 1.2: Gia cường bằng 3 - Caïp DÆL ngoaìi Giải pháp bố trí neo cáp DƯL ngoài: 4 - Váúu chuyãøn hæåïng. - Neo trực tiếp vào kết cấu: nếu có điều kiện, cáp được neo trực tiếp vào các ngăn hoặc dầm ngang ở đầu dầm và các bản ngăn trung gian. Nếu bản ngăn không đủ sức chịu lực thì phải gia cường chúng. Bản ngăn được khoan lỗ để luồn cáp và bố trí các bản đệm thép hoặc bê tông cốt thép dưới neo. - Neo vào các chi tiết cấu tạo đặt ngoài kết cấu: nếu không có điều kiện neo trực tiếp vào kết cấu thì neo cáp DƯL ngoài vào các bộ phận cấu tạo hình thành b sung nằm ngoài tiết diện bê tông của công trình cũ. Những cấu tạo b sung như là:  Dầm ngang BTCT đúc tại ch hoặc lắp ghép đặt ở góc dầm.  Bản ngăn b sung phục vụ riêng cho DƯL ngoài. Dầm ngang, bản ngăn b sung phải được liên kết chặt với dầm chủ để truyền DƯL ngoài qua neo vào tiết diện bê tông cũ. Bê tông các bộ phận cấu tạo này thường đ tại ch . Chúng phải được ngàm chặt ở chu vi vào thành của tiết diện bằng cách: Đục bê tông cầu cũ cho tới cốt thép cấu tạo, xử lý 2 bên của thành kết cấu cũ. Do kích thước nhỏ thường phải dùng DƯL để áp chặt vào bê tông cũ để chống cắt và trượt. Vấu neo gây nhiều ứng suất tập trung cục bộ trong bê tông cũ. Vì vậy để tránh các ứng suất phụ, vấu neo thường được đặt ở trong vùng chịu nén, gần những ch vút tiếp giáp thành đứng và bản ngang của kết cấu. Giải pháp bố trí chuyển hướng cáp : Trong trường hợp tuyến cáp DƯL ngoài đi theo hướng gãy khúc thì ở điểm gãy khúc cần bố trí điểm chuyển hướng. Vị trí chuyển hướng đặt ở dầm ngang bản ngang sẵn có hoặc b sung để neo cáp sẽ tính t ng hợp cùng các lực khác do chúng phải chịu ứng suất với mục tiêu của chúng là vị trí neo và vị trí chuyển hướng có thể đặt riêng ở vấu chuyển hướng hoặc đặt chung ở vấu neo. Trường hợp đặt chung thì lực phải tính là t ng hợp các lực do neo và chuyển hướng cáp DƯL ngoài. Tại các ụ chuyển hướng có bố trí lỗ để luồn cáp trong đó đặt ống đỡ cứng bằng thép uốn theo góc xác định.  Vật liệu: Bó cáp DƯL ngoài khác với bó cáp DƯL trong là yêu cầu việc chống gỉ cao của thép và các phụ kiện. Thép cường độ cao của cáp DƯL ngoài được dùng có nhiều loại: - Thép mạ kẽm - Thép không gỉ 6 - Thép đặt trong ống ghen và bơm mỡ bó lại thành cáp - Thép cường độ cao thông thường gồm 2 loại: bó thép sợi Þ5mm và bó cáp tao 12,7mm. Biện pháp chống gỉ vững chắc và đơn giản là đặt các bó cáp trong ống và bơm các chất bảo vệ vào trong ống như: culy xi măng (vữa không trộn cát), hoặc mỡ và mỡ cứng chống gỉ. Dùng cho DƯL ngoài có 2 loại ống bảo vệ: - Ống bằng kim loại kim khí cứng, bề dày khoảng 2mm nhưng có hệ số ma sát cao. Ống kim khí bắt buộc phải dùng nếu bơm mỡ để bảo vệ. Nó đạt yêu cầu kín hoàn toàn vì bản thân vật liệu và có thể nối bằng hàn. - Ống bằng polyrthylene tỉ trọng cao (HDPE) chịu áp suất 0,6 Mpa phù hợp với loại chất bảo vệ là xi măng hoặc mỡ, sáp. Loại ống này có thể sản xuất trong nước với giá thành không đắt bằng ống kim khí.  Trình tự thi công: - Neo trực tiếp vào kết cấu hoặc neo vào các chi tiết cấu tạo đặt ngoài kết cấu. - Lắp mấu neo ở hai đầu mỗi bó cáp, mấu neo được lắp vào sườn ngoài của chi tiết neo. - Luồn ống bảo vệ cáp đồng thời với việc lắp mấu neo. - Luồn cáp dự ứng lực dọc (ngang). - Kéo cáp dự ứng lực dọc (ngang). - Bơm mỡ hoặc bơm vữa vào ống bảo vệ cáp. - Lắp hộp bảo vệ mấu neo. - Hoàn thiện.  Các sơ đồ căng cáp DƯL ngoài thường dùng: Hình 1.3: Sơ đồ căng cáp DƯL ngoài theo sơ đồ thẳng. 7 Hình 1.4: Sơ đồ căng cáp DƯL ngoài theo sơ đồ gãy khúc. Hình 1.5: Sơ đồ căng cáp DƯL ngoài theo sơ đồ gãy khúc tại giữa nhịp. c) Ưu, nhược điểm:  Ưu điểm: - Chi phí rẻ so với việc phải xây dựng lại các bộ phận chính, các thiết bị dể sử dụng và gọn nhẹ; - Sức kháng cắt và sức kháng uốn đều tăng mà không làm tăng tĩnh tải kết cấu; - Kết cấu hở nên dể kiểm tra bảo dưỡng, làm tăng độ tin cậy; 8 - Các tao cáp có thể căng kéo hay thay đ i khi cần thiết; - Không ảnh hưởng lớn đến sự khai thác bình thường của cầu.  Nhược điểm : - Ứng dụng của phương pháp phụ thuộc vào điều kiện hữu hiệu của công trình. Các bê tông có cường độ xấu không thể kéo quá cường độ cho phép. Do vậy cần phải tiến hành khảo sát kỹ lưỡng và có các biện pháp gia cường trước khi tiến hành căng kéo; - Việc thi công các ụ neo và ụ chuyển hướng có thể khó khăn, có thể ảnh hưởng đến cáp DƯL bên trong khi tiến hành khoan thi công ụ neo; - Cáp DƯL không có tính bền với môi trường. Chịu va đập, chịu lửa kém; - Khó khăn trong việc xác định sức kháng cắt của dầm; - Phạm vi thi công thường chật hẹp; - Tính thẩm mỹ của công trình không cao; - Thi công đòi hỏi phải có sự cẩn thận chi tiết; - Có một số cầu được thử tải cả trước và sau khi tăng cường, nếu có cùng sơ đồ, cùng tải trọng thử ứng suất cũng như độ võng do tải trọng sinh ra đo được chênh lệch không nhiều, chứng tỏ DƯL ngoài không làm tăng độ cứng chống uốn của dầm, khi muốn làm giảm độ võng thì không thể áp dụng phương pháp này. d) Ứng dụng:  Thế giới: Hiện nay, dự ứng lực rộng rãi tại nhiều nước trên thế giới, và một số lượng lớn cầu BTCT DƯL ngoài đã được xây dựng có sử dụng cáp dự ứng lực ngoài. Công nghệ này đã được sử dụng để xây dựng cầu vào những năm 1920 và 1950 tại châu Âu. Tuy nhiên, sau đó DƯL ngoài hầu như bị cấm sử dụng do thiếu phương pháp chống gỉ cho cáp cường độ cao và chi phí sửa chữa chúng rất lớn. Sau khi DƯL ngoài được chấp nhận như một biện pháp để tăng cường cho những cầu BTCT DƯL vào những năm 1970 ở Pháp, các hệ thống chống gỉ cho cáp đã được phát triển đáng kể. Với việc xây dựng cầu Florida Key có sử dụng cáp dự ứng lực ngoài ở Mỹ, thì phương pháp này được phát triển nhanh chóng. Việc chỉ sử dụng cáp dự ứng lực ngoài hoặc kết hợp với cáp dự ứng lực trong được tiến hành xây dựng cầu đặc biệt là ở Pháp. Một lý thuyết có hệ thống về DƯL ngoài đã được phát triển vào năm 1983 và SETRA phát hành bản thảo đầu tiên về tiêu chuẩn thiết kế vào năm 1990. Ở Nhật, từ việc sử dụng kết hợp cáp dự ứng lực trong và cáp dự ứng lực ngoài cho cầu Sassamegawa trên tuyến đường sắt cao tốc Tohoku Shinkansen vào năm 1985, thì DƯL ngoài được sử dụng nhiều hơn.  Việt Nam: Phương pháp này được áp dụng ở cầu Đa Phúc (Hà Nội). Trường hợp cầu Đoan Hùng (Phú Thọ) trước đây là cầu 5 nhịp giản đơn nay đã liên tục hóa thành cầu liên tục 5 nhịp 24m. Cầu Tân An cũ cũng được thiết kế tăng cường bằng DƯL ngoài, trong 9 đó các nhịp BTCT DƯL 24,7m được nối 2, 3 nhịp thành 1 nhịp liên tục; ngoài ra còn sử dụng DƯL ngoài để tăng cường cho cả nhịp thép. Cầu Sài Gòn được gia cường bằng hệ thống DƯL mới đặt ngoài bê tông theo chiều dọc và chiều ngang cầu. Cáp DƯL ngoài gồm các dây 4T15 và 7T15, được bôi mỡ và bọc trong ống HDPE bơm xi măng chạy dọc theo chiều dọc cầu để liên kết 4 nhịp, 5 nhịp dẫn giản đơn thành hệ dầm liên tục. Cầu Mỏ Cày nằm trên quốc lộ 60 tỉnh Bến Tre. Mặt cắt ngang cầu hình chữ T, cầu gồm 9 dầm BTCT DƯL. Cốt thép DƯL loại tao xoắn 7 sợi Þ12,7mm có độ tự chùng thấp. 1.2.2. Gia cường bằng bản thép: a) Phạm vi áp dụng: Dùng để sửa chữa sự giảm khả năng chịu lực hoặc hư hỏng của các phần tử kết cấu. Sử dụng trong những trường hợp tăng cường cường độ sau: - Tăng cường khả năng chịu uốn của dầm BTCT hoặc bản bê tông cốt thép tại vùng có mô men dương hoặc mô men âm. - Tăng cường khả năng chịu chống cắt của dầm bê tông cốt thép. b) Nguyên tắc cấu tạo:  Nguyên lý công nghệ: Nội dung cơ bản của phương pháp là dán 1 hoặc 2 lớp các dải bản thép dày 5-10 mm lên bề mặt bê tông đã được chuẩn bị tốt để khôi phục khả năng chống nứt, khả năng chịu mô men hoặc lực cắt của các bộ phận kết cấu như dầm chủ, dầm ngang, bản mặt cầu. 1 - Dầm bê tông; 2 - Chốt treo gông; 3 - Dây hoặc thanh treo 4 - Tăng đơ; 5 - Bản thép; 6 - Thành ngang của gông đỡ Hình 1.8: Gia cường bằng bản thép dầm BTCT thường.  Vật liệu: Keo dán bản thép là loại keo công nghiệp đã được chế tạo sẵn và được cung cấp từ Công ty Sika với chất lượng đảm bảo. Không sử dụng các loại keo tự pha chế. Bản thép bằng loại thép CT3 hoặc tương đương có kích thước tùy theo thiết kế và phù hợp với kích thước bộ phận kết cấu BTCT cần được sửa chữa. Có thể dán bản thép dọc theo đáy dầm để cải thiện khả năng chịu mô men và ngăn ngừa vết nứt ngang. 10 Có thể dán các bản thép nghiêng trên bề mặt thẳng đứng của thành dầm để tăng cường cho các cốt thép xiên và cốt đai chịu lực cắt và ngăn ngừa các vết nứt xiên. Cũng có thể dán các bản thép nằm ngang theo hướng ngang cầu ở đáy bản để tăng khả năng chịu lực của bản mặt cầu.  Hệ thống gá đỡ và tạo lực ép: Tùy điều kiện cụ thể và trọng lượng bản thép có thể chọn một trong các hệ thống gá đỡ và tạo lực ép dán như sau: - Sử dụng các bu lông neo (nên dùng cho bản thép dán ở đáy bản mặt cầu BTCT và bản thép dán vào mặt bên của thành dầm). - Sử dụng hệ thống quang treo bằng thép góc, thép tròn và tăng đơ, móc neo vào thành dầm (nên dùng cho bản thép dán ở đáy dầm chủ).  Trình tự thi công: - Vệ sinh bề mặt vị trí cần gia cường. - Pha trộn tỉ lệ keo theo hướng dẫn của nhà sản xuất. - Quét keo lên bề mặt vị trí cần gia cường. - Tiến hành dán bản thép, lắp đặt hệ thống gá đỡ và tạo lực ép. - Hoàn thiện. c) Ƣu, nhƣợc điểm:  Ưu điểm: - Giá thành rẻ, dễ thực hiện; - Thời gian ngừng lưu thông phương tiện giao thông không lâu; - Tiết kiệm được chi phí đầu tư công trình mới.  Nhược điểm: - Bản thép chỉ tham gia chịu hoạt tải nên tăng được khả năng chịu lực không nhiều; - Rất khó có giải pháp để bản thép dán thêm tham gia chịu tĩnh tải; - Chỉ áp dụng cho cầu BTCT thường. 1.2.3. Gia cường bằng vật liệu Composite: a) Phạm vi áp dụng: Dùng để sửa chữa sự giảm khả năng chịu lực hoặc hư hỏng của các phần tử kết cấu bằng cách dán hoặc bọc bên ngoài cấu kiện. Sử dụng trong những trường hợp tăng cường cường độ sau: - Tăng khả năng chịu cắt và chịu uốn của dầm BTCT để sửa chữa, gia cố và tăng cường khả năng chịu tải trọng động. - Tăng cường khả năng chịu uốn của sàn BTCT tại vùng có mô men dương và mô men âm. - Tăng khả năng chịu uốn và bó cột BTCT để tăng cường khả năng chịu lực và chịu tải động. b) Nguyên tắc cấu tạo: 11  Nguyên lý công nghệ: Mục đích của công tác thi công sửa chữa gia cố kết cấu bê tông cốt thép bằng tấm FRP là đặt tấm FRP vào vị trí cần tăng cường khả năng chịu lực với hướng sợi phù hợp với phương chịu lực để tận dụng được khả năng chịu kéo và độ bền của sợi FRP, đồng thời phải đảm bảo cho tấm FRP không bị tách lớp cũng như tách khỏi bề mặt bê tông.  Sơ lược về vật liệu FRP và lịch sử phát triển: FRP có tên tiếng Anh là Fiber Reinforced Polymer là một dạng vật liệu composite được chế tạo từ các vật liệu sợi, trong đó ba loại vật liệu sợi thường được sử dụng là sợi cacbon, sợi thủy tinh, sợi aramid. Các sản phẩm FRP tương ứng với các loại sợi sử dụng tạo thành là: CFRP, GFRP, AFRP. Vật liệu FRP có các dạng như FRP dạng tấm, FRP dạng thanh, FRP dạng cáp, FRP dạng vải, dạng cuộn. Trong sửa chữa và tăng cường kết cấu thường dùng dạng tấm và dạng vải. Hiện nay trên thế giới có các hãng sản xuất vật liệu FRP như: Sika, Tyfo®, MBraceTB, Toray, Trung Quốc, Ấn Độ. Kết cấu BTCT là loại vật liệu có sự tiến hóa theo thời gian và rất nhạy cảm với các điều kiện môi trường. Cả bê tông lẫn thép, hai loại vật liệu cấu thành nên kết cấu BTCT, dưới tác động xâm thực mạnh của môi trường đều dễ bị suy thoái theo thời gian. Cách đây vài thế kỷ người ta đã có ý tưởng sử dụng vật liệu composite trong xây dựng. Ở các nước châu Âu và Bắc Mỹ như Canada, Mỹ đã nghiên cứu ra loại vật liệu mới nhằm tăng cường khả năng chịu lực cho công trình. Sản phẩm composite đầu tiên được biết đến là FRP có cốt sợi thủy tinh và chất nền là polyester dùng để sản xuất vỏ thuyền vào năm 1930. Từ đó vật liệu FRP đã có một cuộc cách mạng toàn diện trên tất cả các ngành như không gian vũ trụ, ngành điện, giao thông... Năm 1940 Hải quân và Không quân Hoa Kỳ đã sử dụng vật liệu FRP vào trong công nghiệp quốc phòng. Do có cường độ cao và trọng lượng nhẹ nên những năm 60 của thế kỷ trước, các ngành hàng không và ngành sản xuât ô tô cũng đã sử dụng loại vật liệu này.  Cấu tạo của vật liệu Composite : Cốt sợi : Trong vật liệu FRP chức năng chính của cốt sợi là chịu tải trọng, cường độ, độ cứng, n định nhiệt. Vì vậy, cốt sợi được sử dụng để sản xuất vật liệu FRP phải đảm bảo các yêu cầu sau đây: - Mô đun đàn hồi cao; - Cường độ tới hạn cao; - Sự khác biệt về cường độ giữa các sợi với nhau là không lớn; - Cường độ n định cao trong vận chuyển; - Đường kính và kích thước các sợi phải đồng nhất. Vật liệu FRP được sản xuất từ các vật liệu sợi trong đó có ba loại vật liệu thường sử dụng là sợi cacbon, sợi thủy tinh và sợi aramid. 12 Bảng 1.1: So sánh đặc trưng ba loại sợi theo Meier 1994. Loại sợi Tiêu chuẩn Cacbon Aramid Thủy tinh Cường độ chịu kéo Rất tốt Rất tốt Rất tốt Mô đun đàn hồi Rất tốt Tốt Trung bình Ứng xử dài hạn Rất tốt Tốt Trung bình Ứng xử mỏi Đặc biệt tốt Tốt Trung bình Trọng lượng Tốt Đặc biệt tốt Trung bình Sức kháng kiềm Rất tốt Tốt Không tốt Giá thành Trung bình Trung bình Rất rẻ Chất dẻo nền: Trong vật liệu FRP chất dẻo nền có vai trò là chất kết dính. Các chức năng chủ yếu của chất dẻo nền: - Truyền lực giữa các sợi riêng rẽ; - Bảo vệ bề mặt của các sợi khỏi bị mài mòn; - Bảo vệ các sợi, ngăn chặn mài mòn và các ảnh hưởng do môi trường; - Kết dính các sợi với nhau; - Phân bố, giữ vị trí các sợi vật liệu FRP; - Thích hợp về hóa học và nhiệt với cốt sợi. Trong vật liệu FRP thì chất dẻo nền có chức năng truyền lực giữa các sợi, các cốt sợi chịu tải trọng, cường độ, độ cứng, n định nhiệt. Chất dẻo nền dùng để sản xuất vật liệu FRP thường sử dụng là epoxy, viny lester, polyester. - Polyester: Chất dẻo nền polyester có tính kinh tế nhất và được sử dụng rộng rãi. Trong những năm gần đây, gần nữa triệu tấn polyester được sử dụng mỗi năm ở Mỹ để sản xuất vật liệu composite. Ưu điểm của polyester là tính nhớt thấp, giá thành thấp, và ít độc. Nhược điểm của polyester là độ co ngót lớn. - Viny lester: Có tính dẻo và độ bền cao hơn polyester. Ưu điểm của viny lester là có sức kháng ăn mòn tốt và cũng có tính chất hóa học và vật lý tốt như cường độ chịu kéo và chịu mỏi cao. Viny lester có giá thành cao. - Epoxy: Được sử dụng rộng rãi hơn polyester và viny lester. Những ưu điểm chính của epoxy bao gồm:  Không bay hơi và độ co ngót thấp trong suốt quá trình lưu hóa;  Sức kháng rất tốt với sự thay đ i hóa học;  Dính bám với cốt sợi rất tốt.  Các đặc trưng cơ bản của vật liệu FRP: Vật liệu FRP có cường độ và độ cứng phụ thuộc vào vật liệu hợp thành, đặc trưng vật liệu của FRP phụ thuộc vào đường kính sợi, hướng phân bố các sợi và các đặc trưng cơ học của chất dẻo nền.