Tài liệu Nghiên cứu gia cường kết cấu nhịp cầu bà trà bằng tấm sợi carbon

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯ NGUYỄN TẤN DANH NGHIÊN CỨU GIA CƯỜNG KẾT CẤU NHỊP CẦU BÀ TRÀ BẰNG TẤM SỢI CARBON LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG Đà Nẵng - Năm 2018 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯¯ NGUYỄN TẤN DANH NGHIÊN CỨU GIA CƯỜNG KẾT CẤU NHỊP CẦU BÀ TRÀ BẰNG TẤM SỢI CARBON Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông Mã số: 60. 58. 02. 05 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. NGUYỄN XUÂN TOẢN Đà Nẵng - Năm 2018 LỜI CẢM ƠN Học viên xin chân thành cảm ơn Thầy giáo PGS.TS. Nguyễn Xuân Toản đã tận tình hướng dẫn - chỉ bảo trong quá trình làm luận văn. Xin chân thành cảm ơn tập thể cán bộ, giảng viên Khoa Xây dựng Cầu đường, Phòng KH, SĐH & HTQT Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng, Ban đào tạo Sau đại học - Đại học Đà Nẵng, cùng cơ quan, gia đình, bạn bè đã động viên và tạo điều kiện cho học viên trong thời gian học cao học và hoàn thành luận văn tốt nghiệp này. Với thời gian nghiên cứu và năng lực bản thân còn hạn chế, luận văn chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót, tồn tại. Học viên rất mong nhận được những ý kiến đóng góp từ phía các thầy cô và bạn bè đồng nghiệp để luận văn được hoàn thiện hơn. Đà Nẵng, tháng 3 năm 2018 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả luận văn Nguyễn Tấn Danh MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN LỜI CAM ĐAN MỤC LỤC TÓM TẮT LUẬN VĂN DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH MỞ ĐẦU .............................................................................................................. 1 1. Lý do chọn đề tài ....................................................................................... 2 2. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu ............................................ 3 3. Phương pháp nghiên cứu........................................................................... 3 4. Kết cấu luận văn ........................................................................................ 3 Chương 1 - CÁC DẠNG HƯ HỎNG CẦU BTCT VÀ KHẢ NĂNG GIA CƯỜNG BẰNG TẤM SỢI CARBON .............................................................. 5 1.1. Các dạng hư hỏng cầu BTCT ......................................................................... 5 1.1.1. Các dạng hư hỏng trên kết cấu dầm chủ bê tông cốt thép thường và dự ứng lực ........................................................................................................... 5 1.1.2. Các dạng hư hỏng trong kết cấu nhịp cầu BTCT ............................... 8 1.2. Hiện trạng và các hư hỏng của Cầu Bà Trà ................................................. 10 1.3. Khả năng áp dụng tấm sợi carbon vào gia cường cầu BTCT ...................... 18 1.3.1. Đánh giá về công nghệ dán tấm CFRP ............................................. 18 1.3.2. Áp dụng sợi carbon tăng cường kết cấu cầu tại Việt Nam ............... 19 1.4. Kết luận chương ........................................................................................... 21 Chương 2 - CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN VỀ GIA CƯỜNG CẦU BTCT BẰNG TẤM SỢI CARBON ................................................................. 22 2.1. Xác định sức kháng uốn .............................................................................. 22 2.2. Xác định sức kháng cắt ................................................................................ 25 2.3. Xác định nội lực theo các trạng thái giới hạn .............................................. 26 2.4. Kiểm toán kiểm tra khả năng chịu lực của kết cấu cầu BTCT .................... 27 2.5. Kết luận chương ........................................................................................... 43 Chương 3 - TÍNH TOÁN GIA CƯỜNG KẾT CẤU NHỊP CẦU BÀ TRÀ BẰNG TẤM SỢI CARBON ............................................................................. 44 3.1. Các số liệu cơ bản về công trình cầu Bà Trà................................................ 44 3.1.1. Kích thức hình học kết cấu nhịp ....................................................... 44 3.1.2. Số liệu dầm chủ ................................................................................. 44 3.1.3. Vật liệu dầm chủ ............................................................................... 44 3.1.4. Dầm ngang ........................................................................................ 45 3.1.5. Bản mặt cầu ....................................................................................... 45 3.1.6. Lề người đi bộ ................................................................................... 45 3.1.7. Lan can .............................................................................................. 45 3.1.8. Các đặt trưng hình học ...................................................................... 46 3.2. Xác định nội lực cầu Bà Trà ........................................................................ 48 3.2.1. Các tải trọng tác dụng lên 1 dầm cầu ................................................ 48 3.2.2. Tính hệ số phân bố hoạt tải theo làn ................................................. 49 3.2.3. Các hệ số tải trọng ............................................................................. 52 3.2.4. Tính toán nội lực trên các tiết diện của dầm ..................................... 53 3.2.5. Tổ hợp nội lực ................................................................................... 58 3.3. Xác định sức kháng uốn cầu Bà Trà ............................................................ 61 3.4. Xác định sức kháng cắt cầu Bà Trà.............................................................. 63 3.5. Kiểm tra khả năng chịu lực của kết cấu trước khi gia cường ...................... 66 3.5.1. Khả năng chịu uốn của kết cấu ......................................................... 66 3.5.2. Khả năng chịu cắt của kết cấu ........................................................... 66 3.6. Kiểm tra khả năng chịu lực của kết cấu sau khi gia cường.......................... 67 3.6.1. Các thông số kỹ thuật của tấm sợi gia cường ................................... 67 3.6.2. Kiểm tra khả năng chịu uốn của kết cấu ........................................... 68 3.6.3. Kiểm tra khả năng chịu cắt của kết cấu ............................................ 73 3.7. Kết luận chương ........................................................................................... 75 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .......................................................................... 76 TÀI LIỆU THAM KHẢO QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (Bản sao) NGHIÊN CỨU GIA CƯỜNG KẾT CẤU NHỊP CẦU BÀ TRÀ BẰNG TẤM SỢI CARBON Học viên: Nguyễn Tấn Danh, Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông Mã số: 60.58.0205, Khóa:33 Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN Tóm tắt - Trong công tác sửa chữa và tăng cường kết cấu nhịp cầu BTCT bằng tấm sợi CFRP, cần đặc biệt chú ý đặt tấm CFRP vào vị trí cần tăng cường khả năng chịu lực với hướng sợi phù hợp với phương chịu lực để tận dụng khả năng chịu kéo của tấm sơị CFRP. Vật liệu CFRP có cường độ chịu kéo và mô đun đàn hồi cao, đa dạng về chủng loại, trọng lượng nhẹ, thi công dễ dàng nhanh chóng, không cần đập phá kết cấu giữ nguyên hình dạng kết cấu cũ, thi công không cần sử dụng coffa, ít tốn nhân công, không cần máy móc đặc biệt, không cần bão dưỡng chống rỉ trong quá trình khai thác. Từ rất nhiều các công thức được trình bày, đã hệ thống hóa các công thức bằng một số sơ đồ khối để thuận tiện cho việc tính toán. Kết quả tính toán gia cường kết cấu nhịp cầu Bà Trà bằng tấm sợi carbon, kết cấu đảm bảo khả năng chịu lực theo trạng thái giới hạn cường độ I, sức kháng uốn lớn nhất tại vị trí giữa nhịp tăng 15%, sức kháng cắt tại gối tăng lên 85%, đảm bảo cho cầu duy trì tải trọng khai thác HL93. Vì vậy, có thể thấy rằng sử dụng tấm sợi cacbon tăng cường cho dầm BTCT cải thiện đáng kể khả năng chịu lực của dầm. Từ khóa - tấm sợi CFRP; trọng lượng nhẹ; mô đun đàn hồi cao; kết cấu nhịp; cầu Bà Trà. (5 từ khóa) STUDY ON THE STRUCTURE OF CARBON CARBIDE FIBER SHRIMP Abstract - In the repair and reinforcement of reinforced concrete spheres with CFRP, special care should be taken to place the CFRP in place to increase the strength with the direction of the fiber in accordance with the force to take advantage of the ability. Bearing of CFRP plate. CFRP materials have high tensile strength and elastic modulus, variety of type, light weight, quick and easy construction, no need to smash the structure retains the old shape, use coffa, less labor, no special machinery, no anti-rust conditioning during the exploitation. Since many formulas are presented, they have systematized the formulas with a number of block diagrams to facilitate the computation. The results of calculating the Ba Tra bridge structure with carbon fiber sheet, the structure ensures the strength of the strength limit state I, the maximum bending resistance in the middle of the increase of 15%, the resistance Cutting at the pillow increased to 85%, ensuring the maintenance of the load bearing capacity of HL93. Therefore, it can be seen that the use of carbon fiber reinforcement for reinforced concrete beams significantly improved the bearing strength of the beams. Key words - CFRP fiber sheet; light-weight; high elastic modulus; rhythmic structure; Ba Tra Bridge. DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT AFRP : Aramid Fiber Reinforced Polymer (Vật liệu Composite sợi aramid) GFRP : Glass Fiber Reinforced Polymer (Vật liệu Composite sợi thủy tinh) CFRP : Carbon Fiber Reinforced Polymer (Vật liệu Composite sợi cacbon) ACI : American Concrete Insitute (Tiêu chuẩn của viện bê tông Mỹ) AASHTO : American Association of State Highway and Transportation Officials (Hiệp hội các viên chức giao thông và đường bộ Hoa Kỳ) ACMA : American Composites Manufactures Association Hiệp hội các doanh nghiệp sản xuất composite Mỹ BTCT : Bê tông cốt thép BTCTDƯL : Bê tông cốt thép dự ứng lực CT : Công trình KC : Kết cấu TCN : Tiêu chuẩn ngành TTGH CĐ : Trạng thái giới hạn cường độ TTGH SD : Trạng thái giới hạn sử dụng FRP : Fiber Reinforced Polymer (Vật liệu Composite) DC DW LL PL : Tĩnh tải giai đoạn 1 : Tĩnh tải giai đoạn 2 : Hoạt tải xe HL93 : Hoạt tải người đi bộ DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu bảng Tên bảng Trang 3.1. Mô men tĩnh đối với đáy dầm 46 3.2. Mô men quán tính 47 3.3. Đặc trưng hình học của mặt cắt giai đoạn II 47 3.4. Hệ số phân bố ngang cho dầm 52 3.5. Bảng hệ số tải trọng 53 3.6. Bảng tổng hợp giá trị mômen tại các mặt cắt do hoạt tải gây ra 55 3.7. Bảng tổng hợp giá trị lực cắt tại các mặt cắt do hoạt tải gây ra 57 3.8. Bảng tổng hợp giá trị nội lực tại các mặt cắt do hoạt tải gây ra 58 3.9. Bảng tổng hợp giá trị nội lực dầm trong tại các mặt cắt do tỉnh tải gây ra 58 3.10. Bảng tổng hợp giá trị nội lực dầm ngoài tại các mặt cắt do tỉnh tải gây ra 58 3.11. Bảng tổng hợp giá trị nội lực tại các mặt cắt do người gây ra 58 3.12. Tổ hợp nội lực ở TTGHCĐ I đối với dầm trong 59 3.13. Tổ hợp nội lực ở TTGHCĐ I đối với dầm ngoài 60 3.14. Tổ hợp nội lực ở TTGHSD đối với dầm trong 60 3.15. Tổ hợp nội lực ở TTGHSD đối với dầm ngoài 60 3.16. Tổng hợp sưc kháng uốn danh định tại các mặt cắt 63 3.17. Chiều cao chịu cắt hữu hiệu 64 3.18. Tổng hợp sức kháng cắt tại các mặt cắt 65 3.19. Bảng kiểm tra sức kháng uốn trên dầm 66 3.20. Bảng kiểm tra sức kháng uốn trên dầm 67 3.21. Bảng tổng hợp thông số của vật liệu 68 3.22. Bảng đặc trưng hình học 68 3.23. Bảng tổng hợp các biến dạng ban đầu tại các mặt cắt 69 Số hiệu bảng Tên bảng Trang 3.24. Bảng tổng hợp các biến dạng của tấm sợi tại các mặt cắt 70 3.25. Bảng tổng hợp chiều cao vùng bê tông chịu nén tại các mặt cắt 70 3.26. Bảng tổng hợp biến dạng có hiệu của tấm sợi tại các mặt cắt 70 3.27. Bảng tổng hợp biến dạng trong cáp DƯL tại các mặt cắt 71 3.28. Bảng tổng hợp ứng suất trong cáp DƯL và tấm sợi tại các mặt cắt 71 3.29. Bảng tổng hợp α1, β1 tại các mặt cắt 72 3.30. Bảng tổng hợp chiều cao vùng bê tông chịu nén tại các mặt cắt 72 3.31. Bảng tổng hợp sức kháng uốn tại các mặt cắt 72 3.32. Bảng tổng hợp thông số vật liệu gia cường chịu cắt tại các mặt cắt 73 3.33. Bảng tổng hợp thông số vật liệu gia cường chịu cắt tại các mặt cắt 73 3.34. Bảng tổng hợp biến dạng trong tấm sợi chịu cắt chịu cắt tại các mặt cắt 74 3.35. Bảng tổng hợp khả năng tăng cường của tấm sợi tại các mặt cắt 74 3.36. Bảng tổng hợp sức kháng cắt của dầm sau tăng cường tại các mặt cắt 74 DANH MỤC CÁC HÌNH Số hiệu hình Tên hình Trang 1. Cầu Bà Trà, lý trình Km 1077+482, QL1 2 1.1. Các dạng vết nứt trong kết cấu nhịp cầu 6 1.2. Nứt vỡ bê tông bên trên thớt gối 7 1.3. Nứt vỡ BT cánh dầm 7 1.4. Bêtông rổ tổ ong, rỉ cốt thép, nứt vỡ. 8 1.5. Bong vỡ lớp nhựa phủ mặt 8 1.6. Hư hỏng lớp BT tạo dốc 9 1.7. Nứt dọc mặt cầu 9 1.8. Thể hiện vết nứt ngang mặt cầu 10 1.9. Cầu Bà Trà – Quảng Ngãi 10 1.10. Sơ đồ nhịp cầu Bà Trà 11 1.11. Mặt cắt ngang cầu 11 1.12. Hiện trạng dầm tăng cường dầm ngang, dán sợi và ứng lực ngang cầu 12 1.13. Mặt cắt dọc dầm 12 1.14. Hiện trạng cánh dầm bị nứt bê tông 13 1.15. Sơ đồ nhịp, chiều dài toàn cầu 52m 14 1.16. Hiện trạng lề bộ hành, lan can, tay vịn 14 1.17. Gối cao su cốt bản thép KT(50x30x6)cm 15 1.18. Đường dẫn đầu cầu 15 1.19. Mố cầu 16 1.20. Trụ cầu 17 1.21. Gia cố kết cấu Cầu Lồi (Nghệ An) bằng công nghệ dán sợi carbon fiber (CFRP) 20 1.22. Gia cố kết cấu Cầu Sa Đéc (Đồng Tháp) bằng công nghệ dán sợi carbon fiber (CFRP) 20 1.23. Gia cố kết cấu Cầu Trà Nóc (Tp. Hồ Chí Minh) bằng công nghệ dán sợi carbon fiber (CFRP) 21 Số hiệu hình Tên hình Trang 2.1. Ứng suất biến dạng của BT (Hognestad’s) 22 2.2 Mô hình lý thuyết tăng cường sức kháng uốn dựa vào biểu đồ ứng suất, biến dạng, nội lực 23 2.3. Bố trí tấm sợi CFRP tăng cường kháng sức cắt 26 2.4. Biểu đồ ứng suất - biến dạng dầm BTCT tăng cường tấm CFRP 28 2.5. Ứng suất - biến dạng trường hợp dầm bị phá hoại do BT nén vỡ 29 2.6. Ứng suất - Biến dạng trường hợp dầm bị phá hoại do đứt tấm sợi 30 2.7. Ứng suất - biến dạng trường hợp dầm bị phá hoại đồng thời 31 2.8. Sơ đồ khối tính sức kháng uốn dầm BTCT tiết diện chữ nhật 32 2.8. Sơ đồ khối tính sức kháng uốn dầm BTCT tiết diện chữ T 33 2.9. Tiết diện chữ T dầm BTCT tăng cường tấm CFRP 34 2.10. Ứng suất - biến dạng tiết diện chữ T dầm BTCT DUL được tăng cường tấm sợi CFRP 35 2.11. Biểu đồ biến dạng dầm BTCT DUL trường hợp phá hoại đồng thời 35 2.12. Biểu đồ biến dạng dầm BTCT DUL trường hợp tấm sợi đứt 36 2.13. Tăng cường sức kháng cắt cho dầm BTCT bằng tấm sợi CFRP 38 2.14. Sơ đồ khối tính toán lực cắt dầm BTCT tăng cường tấm sợi CFRP 40 2.15. Các mô hình tăng cường sức kháng cắt 41 3.1. Mặt cắt ngang dầm chủ 44 3.2. Mặt cắt ngang quy đổi 46 3.3. Đặc trưng xe tải thiết kế 49 3.4. Phương pháp đòn bẩy tính gm 50 3.5. Phương pháp đòn bẩy tính gPL 52 3.6. Đường ảnh hưởng mômen tại mặt cắt giữa nhịp 53 3.7. Đường ảnh hưởng mômen tại mặt cắt L/4 54 Số hiệu hình Tên hình Trang 3.8. Đường ảnh hưởng mômen tại mặt cắt L/8 54 3.9. Đường ảnh hưởng lực cắt tại mặt cắt giữa nhịp 55 3.10. Đường ảnh hưởng lực cắt tại mặt cắt L/4 56 3.11. Đường ảnh hưởng lực cắt tại mặt cắt L/8 56 3.12. Đường ảnh hưởng lực cắt tại mặt cắt gối 56 1 MỞ ĐẦU Quảng Ngãi là tỉnh ven biển miền Trung Việt Nam, nằm trong vùng kinh tế trọng điểm miền Trung, có diện tích tự nhiên 11.000 km2. Quảng Ngãi nằm ở trung độ của cả nước, có tọa độ địa lý trải dài từ 14°32′ đến 15°25′ Bắc, từ 108°06′ đến 109°04′ Đông. Phía Đông giáp với biển Đông, phía Tây giáp với tỉnh Kon Tum và tỉnh Gia Lai, phía Nam giáp với tỉnh Bình Định, phía Bắc giáp với tỉnh Quảng Nam. Sau hơn 43 năm tái lập tỉnh (1975 đến nay), Quảng Ngãi đã có nhiều đổi thay, đạt được nhiều thành tựu đáng khích lệ. Các thành phần kinh tế phát triển khá nhanh, thu hút đầu tư và phát huy nội lực đã được tăng cường; Xây dựng cơ sở vật chất kỹ thuật, hạ tầng phát triển nhanh; Kinh tế nông nghiệp, nông thôn chuyển dịch tích cực, miền núi được đầu tư hạ tầng và cải thiện đáng kể về kinh tế và giảm nghèo, đã thúc đẩy tăng trưởng và chuyển dịch rõ nét cơ cấu kinh tế theo hướng công nghiệp hoá, hiện đại hoá. Bản đồ hành chính tỉnh Quảng Ngãi Quảng Ngãi là đầu mối giao thông quan trọng xuyên suốt trên địa bàn tỉnh, có Quốc lộ 1A và đường sắt Bắc - Nam chạy qua tỉnh. Trong đó chiều dài Quốc lộ 1A qua tỉnh dài 98 km. Quốc lộ 24 nối liền Quốc lộ 1A đoạn qua Thạch Trụ, huyện Mộ Đức, tỉnh Quảng Ngãi với Kon Tum dài 69 km và Quốc lộ 24B dài 18 km, đây là tuyến giao thông quan trọng đối với Kon Tum và Quảng Ngãi trong 2 quan hệ kinh tế, văn hoá giữa duyên hải và Tây Nguyên, giao lưu trao đổi hàng hoá, phát triển kinh tế miền núi gắn với an ninh quốc phòng. Phía Bắc tỉnh, tại huyện Bình Sơn có sân bay Chu Lai đã đưa vào hoạt động, tại đây có cảng nước sâu Dung Quất. Ngoài ra, với bờ biển dài 144 km, Quảng Ngãi có nhiều cửa biển, cảng biển nhỏ như Sa Kỳ, Sa Cần, Bình Châu, Mỹ Á,… có tiềm năng về giao thông đường thủy, thương mại và du lịch. Tuy nhiên bên cạch những thành tựu đạt được về kinh tế vẫn còn nhiều vấn đề cần phải khắc phục như : tăng trưởng kinh tế bền vững, phát triển giữa các vùng miền chưa đồng đều; cơ sở hạ tầng mặc dù được quan tâm đầu tư nhưng vẫn chưa đáp ứng được nhu cầu thực tế; công tác giáo dục, y tế cho vùng sâu vùng xa, công tác xóa đói giảm nghèo. Đặc biệt công tác xây dựng cơ sở hạ tầng giao thông còn nhiều thách thức đặt ra cần phải giải quyết và quan trọng hơn là vế đề giao thông trên Quốc lộ 1A. 1. Lý do chọn đề tài Quốc lộ 1A là tuyến giao thông huyết mạch của quốc gia có ý nghĩa đặt biệt quan trọng cho sự phát triển kinh tế, xã hội, văn hóa, ổn định an ninh quốc phòng và chính trị của đất nước. Qua quá trình tìm hiểu phần lớn các công trình cầu đang phục vụ khai thác trên tuyến Quốc lộ 1 này đều được xây dựng cách đây 30-40 năm về trước. Hầu hết các công trình cầu cũ này đều đã xuống cấp và có nhiều hư hỏng. Hình 1. Cầu Bà Trà, lý trình Km 1077+482, QL1 Cầu Bà Trà nằm tại lý trình Km 1077+482, QL1, thuộc địa phận thị trấn Đồng Cát, huyện Mộ Đức, tỉnh Quảng Ngãi là một trong số những công trình cầu như vậy. Thông qua việc khảo sát hiện trạng cầu Bà Trà đã có dấu hiệu suy giảm 3 năng lực chịu tải. Hiện tại, cầu bị hư hỏng nghiêm trọng ở kết cấu nhịp như một số dầm chủ xuất hiện các vết nứt tại vị trí nách dầm, bề rộng các vết nứt từ 0,1÷0,2mm, khe nối dọc hiện tại xuất hiện bong tróc vỡ bê tông suốt chiều dài nhịp.... Tải trọng thiết kế của cầu (dầm chủ thiết kế với tải trọng HS20-44 theo quy trình AASHTO 92) cũng như tải trọng khai thác 25 tấn không còn phù hợp với tải trọng khai thác của các cầu mới được xây dựng trên tuyến trong thời gian gần đây (H30 hoặc HL93). Với nhu cầu khai thác (tải trọng xe và lưu lượng xe) ngày càng tăng, cần thiết phải xây dựng cầu mới thay thế cầu hiện tại nhưng do kinh phí để xây dựng cầu mới rất lớn. Nên khi đó, sửa chữa và nâng cấp cầu Bà Trà là giải pháp hữu hiệu để duy trì, nâng cao khả năng khai thác và kéo dài tuổi thọ công trình. Đề tài tập trung nghiên cứu áp dụng gia cường kết cấu nhịp cầu Bà Trà bằng tấm sợi carbon. 2. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: Cầu Bà Trà tại lý trình Km 1077+482 nằm trên tuyến Quốc lộ 1. - Phạm vi nghiên cứu: Gia cường kết cấu nhịp cầu Bà Trà bằng tấm sợi carbon nhằm nâng cao khả năng chịu lực của cầu khi chịu tác dụng của hoạt tải HL93. - Mục tiêu nghiên cứu: + Nghiên cứu tấm sợi carbon; + Áp dụng nâng cao khả năng chịu tải và tuổi thọ cho cầu Bà Trà nhằm đảm bảo an toàn cho con người và phương tiện qua cầu trong suốt quá trình khai thác. 3. Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết và ứng dụng kết quả nghiên cứu của các tác giả đã công bố và các quy định, chỉ dẫn của tiêu chuẩn thiết kế cầu hiện hành, tiêu chuẩn 22TCN 272-05 để gia cường kết cấu nhịp cầu Bà Trà bằng tấm sợi carbon. 4. Kết cấu luận văn Chương 1. Các dạng hư hỏng cầu BTCT và khả năng gia cường bằng tấm sợi carbon. 1.1. Các dạng hư hỏng cầu BTCT. 1.2. Hiện trạng và các hư hỏng của Cầu Bà Trà. 1.3. Khả năng áp dụng tấm sợi carbon vào gia cường cầu BTCT. 1.4. Kết luận chương. Chương 2. Cơ sở lý thuyết tính toán về gia cường cầu BTCT bằng tấm sợi 4 carbon. 2.1. Xác định sức kháng uốn. 2.2. Xác định sức kháng cắt. 2.3. Xác định nội lực theo các trạng thái giới hạn. 2.4. Kiểm toán kiểm tra khả năng chịu lực của kết cấu cầu BTCT. 2.5. Kết luận chương. Chương 3. Tính toán gia cường kết cấu nhịp cầu Bà Trà bằng tấm sợi carbon. 3.1. Các số liệu cơ bản về công trình cầu Bà Trà. 3.2. Xác định nội lực cầu Bà Trà. 3.3. Xác định sức kháng uốn cầu Bà Trà. 3.4. Xác định sức kháng cắt cầu Bà Trà. 3.5. Kiểm tra khả năng chịu lực của kết cấu trước khi gia cường. 3.6. Kiểm tra khả năng chịu lực của kết cấu sau khi gia cường. 3.7. Kết luận chương. Kết luận và kiến nghị: Để hoàn thành luận văn này, ngoài sự nỗ lực của bản thân, tôi xin chân thành cảm ơn PGS. TS. Nguyễn Xuân Toản đã nhiệt tình hướng dẫn trong suốt thời gian làm luận văn đồng thời tôi cũng xin bày tỏ lòng biết ơn đến khoa sau đại học Đại học Đà Nẵng, Công ty cổ phần công trình GTVT Quảng Ngãi và một số đồng nghiệp đã tạo điều kiện và góp ý cho luận văn. Dù đã cố gắng hết mình và được sự giúp đỡ rất nhiều của các cá nhân và tập thể. Nhưng trong khuôn khổ nội dung của một luận văn, mọi khía cạnh của vấn đề mà trong thực tế đòi hỏi có thể chưa giải quyết hết, tác giả xin chân thành cảm ơn và hết sức tiếp thu những ý kiến đóng góp của các thầy và các đồng nghiệp. 5 Chương 1 - CÁC DẠNG HƯ HỎNG CẦU BTCT VÀ KHẢ NĂNG GIA CƯỜNG BẰNG TẤM SỢI CARBON 1.1. Các dạng hư hỏng cầu BTCT 1.1.1. Các dạng hư hỏng trên kết cấu dầm chủ bê tông cốt thép thường và dự ứng lực - Hư hỏng do sự dịch chuyển vị trí: Dầm cầu bị võng hoặc bị dịch chuyển và đang phát triển một cách nhanh chóng, kéo theo kích thước hình học của mặt cầu bị sai lệch nhiều. Trong những trường hợp như vậy thì biện pháp đình chỉ thi công hay hạn chế tốc độ và tải trọng qua cầu phải được tiến hành nhanh. - Hư hỏng do phong hóa BT: Bê tông của các công trình ở sông hoặc biển là đối tượng của xói mòn do dòng chảy mạnh, do sự cuốn trôi của các vật thể rắn của nước. Biểu hiện trực tiếp của sự phá hủy này là ở chỗ tiếp xúc của bê tông, bề mặt bị mòn do bị cọ xát liên tục lặp đi lặp lại. Sự mài mòn này rất nghiêm trọng trong khi lớp bề mặt bê tông ít cốt liệu cứng hoặc lớp vữa bị bỡ mủn. Sự va chạm của xe cộ, tàu bè nhất là khi chúng vượt ra ngoài khổ thông thuyền gây ra các vết xước, nứt vỡ bê tông làm hở cốt thép và từ đó cốt thép bị hư hại. - Hiện tượng mỏi của thép: Dưới tác động của một số lớn lần thay đổi ứng lực, cốt thép có bị giảm yếu do mỏi. - Hư hỏng do bị nứt bê tông: Đây là dạng hư hỏng phổ biến nhất. Tùy thuộc vào cấu tạo công trình mà các vết nứt có thể xuất hiện ở nhiều dạng khác nhau. Về tổng thể ta có các loại vết nứt như sau: + Các vết nứt do co ngót Loại vết nứt này thường xuất hiện trong lớp bề mặt của bê tông do quá trình co ngót không đều. Nguyên nhân là do hàm lượng xi măng quá nhiều trong hỗn hợp bê tông, do đặc điểm của dạng kết cấu, do cách bố trí cốt thép không hợp vv… Dấu hiệu đặc trưng của các vết nứt co ngót dạng này là chúng phân bổ ngẫu nhiên không định hướng, có chiều dài ngắn và nhỏ li ti. Các vết nứt này có thể phát triển thành các vết nứt do lực. + Các vết nứt nghiêng Đây là loại vết nứt thường xuất hiện ở bụng dầm do ứng suất chủ quá lớn. Chúng đặc biệt nguy hiểm trong các kết cấu dự ứng lực vì có thể giảm nhiều năng lực chịu tải. + Các vết nứt dọc 6 Chúng xuất hiện ở chỗ tiếp giáp đáy bản mặt cầu giáp với phần sườn dầm, được coi là nguy hiểm vì giảm năng lực chịu tải của kết cấu nhịp. Nguyên nhân chính là do sai sót trong công nghệ chế tạo kết cấu. + Các vết nứt ngang trong bản mặt cầu Nguyên nhân do mô men uốn tạo ra quá lớn lúc cẩu dầm để lắp ghép, hoặc do dự ứng lực nén quá mạnh. Trong các dầm đơn giản thì trong quá trình khai thác, các vết nứt này có thể bị khép lại. + Các vết nứt ngang trong bầu dưới ở vùng chịu kéo chứa cốt thép dự ứng lực Vết nứt này chứng tỏ thiếu dự ứng lực, mất mát dự ứng suất quá nhiều do co ngót, từ biến của bê tông và mấu neo làm việc không bình thường. Các vết nứt này không làm giảm khả năng chịu tải tính toán của kết cấu nhịp nhưng có thể tạo điều kiện cho rỉ ăn mòn cốt thép dự ứng lực và giảm dần tuổi thọ của nó. + Các vết nứt dọc trong bầu dầm chứa cốt thép dự ứng lực Xuất hiện ngay trong những năm đầu khai thác cầu. Nguyên nhân là do biến dạng ngang lớn khi dự ứng lực nén mạnh bê tông và do co ngót bị cản trở. Hậu quả là rỉ nhanh và trầm trọng ở cốt thép dự ứng lực, các sản phẩm do rỉ tạo ra sẽ trương nở to thêm vết nứt, khiến rỉ càng nhanh hơn và sớm phá hoại kết cấu nhịp. + Các vết nứt ngang ở đoạn đầu dầm Xuất hiện do ứng suất cục bộ quá lớn ở bên dưới mấu neo cốt thép dự ứng lực. Phát triển trong thời kỳ đầu khai thác cầu. + Các vết nứt ở bên trên thớt gối Nguyên nhân là do cấu tạo cốt thép đặt ở đầu dầm không đủ và cấu tạo đầu dầm không hợp lý (neo đặt quá sát nhau, thớt gối ngắn,…Sự làm việc của thớt gối có ảnh hưởng đến loại vết nứt này. Nếu gối di động bị kẹt không hoạt động tốt sẽ gây ra các ứng lực phụ làm tăng các vết nứt này.         Hình 1.1. Các dạng vết nứt trong kết cấu nhịp cầu 1-Do co ngót 2-Nứt xiên 3- Nứt dọc tại chỗ tiếp giáp bản cánh và sườn dầm 4-Nứt ngang bản cánh trên 5-Nứt ngang bầu dầm dưới 6-Nứt dọc bầu dầm dưới 7-Nứt ở vùng sát gối 7 8-Nứt ngang ở đầu dầm - Vỡ bê tông bầu dầm tại vị trí gối: Có trên 90% các cầu dầm chữ T, khe co giãn bằng bản thép đều bị hiện tượng này. Nứt vỡ do bê tông chất lượng kém, dầm không mở rộng tại vị trí gối nên lực ép cục bộ gây nứt vỡ. Hình 1.2. Nứt vỡ bê tông bên trên thớt gối - Nứt vỡ bêtông cánh dầm tại vị trí đầu dầm: Hỏng khe co giãn gây chấn động cục bộ. Hình 1.3. Nứt vỡ BT cánh dầm - BT rổ tổ ong, rỉ cốt thép, nứt vỡ: Hầu hết các cầu xây dựng trước những năm 1990 đều bị khuyết tật này (chiếm trên 90%). Các vị trí khuyết tật này phổ biến là các mối nối dọc hoặc dưới bản cánh đặc biệt là dầm biên do ống thoát nước kém hoặc nước mưa tạt.