Tài liệu Nghiên cứu gia cường kết cấu nhịp cầu sông re ii bằng hệ cáp dự ứng lực căng ngoài

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TRẦN VĂN HỔ NGHIÊN CỨU GIA CƢỜNG KẾT CẤU NHỊP CẦU SÔNG RE II BẰNG HỆ CÁP DỰ ỨNG LỰC CĂNG NGOÀI LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng - Năm 2018 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TRẦN VĂN HỔ NGHIÊN CỨU GIA CƢỜNG KẾT CẤU NHỊP CẦU SÔNG RE II BẰNG HỆ CÁP DỰ ỨNG LỰC CĂNG NGOÀI Chuyên ngành Mã số : Kỹ thuật XDCT giao thông : 60.58.02.05 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS NGUYỄN XUÂN TOẢN Đà Nẵng - Năm 2018 i LỜI CAM ĐOAN Tôi 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 Trần Văn Hổ ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... i MỤC LỤC ................................................................................................................. ii TÓM TẮC…………………………………………………………………………………v DANH MỤC CÁC TỪ NGỮ VIẾT TẮT .............................................................. vii DANH MỤC BẢNG BIỂU .................................................................................... vii DANH MỤC HÌNH ................................................................................................. ix MỞ ĐẦU .................................................................................................................. 1 1. Tính cấp thiết của đề tài ................................................................................... 1 2. Phạm vi nghiên cứu .......................................................................................... 1 3. Mục tiêu nghiên cứu ......................................................................................... 1 4. Phƣơng pháp nghiên cứu .................................................................................. 1 5. Bố cục luận văn ................................................................................................ 2 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÁC BIỆN PHÁP GIA CƢỜNG CẦU DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP. .......................................................................................... 2 1.1. GIA CƢỜNG BẰNG PHƢƠNG PHÁP TĂNG CƢỜNG TIẾT DIỆN ............ 3 1.1.1. Nguyên tắc cấu tạo................................................................................... 3 1.1.2. Ƣu nhƣợc điểm của phƣơng pháp tăng cƣờng tiết diện .......................... 4 1.2. GIA CƢỜNG CẦU BẰNG TẤM POLYMER CỐT SỢI CACBON (FRP) .... 4 1.2.1. Quá trình phát triển của vật liệu FRP ...................................................... 5 1.2.2. Vật liệu .................................................................................................................................. 6 1.2.3. Các đặc trƣng cơ học của vật liệu FRP ................................................................... 7 1.3. GIA CƢỜNG BẰNG PHƢƠNG PHÁP CĂNG CÁP DỰ ỨNG LỰC NGOÀI .......................................................................................................................... 10 1.3.1. Sơ lƣợc về công nghệ dự ứng lực ngoài ............................................................... 10 1.3.2. Khái niệm về dự ứng lực ngoài ................................................................................ 11 1.3.3. Phạm vi ứng dụng ........................................................................................................... 11 1.3.4. Các hình thức bố trí cáp DUL ngoài ...................................................................... 12 1.3.5. Các giả thiết trong tính toán và cấu tạo ................................................................. 14 1.3.6. Các hình thức cấu tạo bố trí cáp ngoài dọc cầu ................................................. 14 1.4. ĐÁNH GIÁ TÌNH TRẠNG CÔNG TRÌNH CẦU TRƢỚC KHI TĂNG CƢỜNG SỬA CHỮA ........................................................................................... 18 1.5. CÔNG NGHỆ THI CÔNG DỰ ỨNG LỰC NGOÀI ...................................... 19 1.5.1. Những yêu cầu chung ................................................................................................... 19 1.5.2. Những vấn đề cần chú ý trong sửa chữa bằng DUL ngoài ........................... 19 1.6. TIÊU CHUẨN VỀ VẬT LIỆU SỬ DỤNG TRONG THI CÔNG .................. 22 iii 1.7. PHÂN TÍCH ĐỀ XUẤT BIỆN PHÁP GIA CƢỜNG: .................................... 24 1.8. KẾT LUẬN CHƢƠNG.................................................................................... 25 CHƢƠNG 2. HIỆN TRẠNG VÀ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN GIA CƢỜNG CẦU SÔNG RE II ................................................................................................. 26 2.1. HIỆN TRẠNG CẦU SÔNG RE II: ................................................................. 26 2.1.1. Kết cấu phần trên ................................................................................... 27 2.1.2. Kết cấu phần dƣới: ................................................................................. 28 2.2. NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CỦA BTCT ỨNG SUẤT TRƢỚC VÀ DẦM BTCT GIA CƢỜNG BẰNG CÁP DUL NGOÀI:.................................................. 30 2.2.1. Nguyên lý cơ bản về BTCT DUL [9]: ................................................... 30 2.2.2. Nguyên lý làm việc ................................................................................ 32 2.2.3. Ứng xử của dầm giản đơn BTCT DUL ngoài [10]: .............................. 35 2.3. LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN GIA CƢỜNG CÁP DỰ ỨNG LỰC NGOÀI .... 36 2.3.1. Kiểm toán cƣờng độ uốn ....................................................................... 36 2.3.2. Kiểm toán theo điều kiện sức kháng cắt ................................................ 38 2.3.3 Tính toán các mất mát ứng suất .............................................................. 38 2.4. SƠ ĐỒ BỐ TRÍ CÁP DUL NGOÀI ................................................................ 40 2.5. KẾT LUẬN CHƢƠNG.................................................................................... 41 CHƢƠNG 3. TÍNH TOÁN GIA CƢỜNG KẾT CẤU NGHỊP CẦU SÔNG RE II BẰNG HỆ CÁP DỰ ỨNG LỰC NGOÀI ....................................................... 42 3.1. CÁC CHỈ TIÊU KỸ THUẬT .......................................................................... 42 3.2. TÍNH TOÁN NỘI LỰC CỦA CẦU DƢỚI TÁC DỤNG CỦA HL93 ........... 43 3.2.1. Các tải trọng tác dụng lên 1 dầm cầu ..................................................... 43 3.2.2. Tính hệ số phân bố hoạt tải theo làn: ..................................................... 45 3.2.3. Các hệ số tải trọng [1]:........................................................................... 47 3.2.4. Tính toán nộ lực trên các tiết diện của dầm: .......................................... 48 3.2.5. Tổ hợp nội lực ........................................................................................ 54 3.2.6. Kiểm tra sức kháng uốn của dầm theo TTGH CĐ trƣớc khi gia cƣờng 56 3.2.7. Tính toán kiểm tra ứng suất trên dầm ở tổ hợp sử dụng do tĩnh tải + hoạt tải: .................................................................................................................... 58 3.3. TÍNH TOÁN GIA CƢỜNG DẦM BẰNG CĂNG CÁP DUL: ...................... 59 3.3.1. Chọn sơ đồ và các thông số vật liệu: ..................................................... 59 3.3.2. Tính toán lực căng cáp và nội lực dầm sau khi căng cáp: ..................... 60 3.3.3. Kiểm tra sức kháng uốn của dầm ở TTGH CĐ sau khi gia cƣờng: ...... 61 3.3.4. Tính toán kiểm tra ứng suất trên dầm ở tổ hợp sử dụng do tĩnh tải + hoạt tải và lực căng cáp sau gia cƣờng: ................................................................... 63 iv 3.3.5. Tính toán kiểm tra ứng suất trên dầm ở tổ hợp sử dụng do tĩnh tải và lực căng cáp sau gia cƣờng: ................................................................................... 65 3.3.6. Tính toán kiểm tra ứng suất trên dầm ở tổ hợp sử dụng do tĩnh tải + hoạt tải và lực căng cáp tính đến mất mát ứng suất: ................................................ 66 3.4. KẾT LUẬN CHƢƠNG: .................................................................................. 69 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .............................................................................. 70 TÀI LIỆU THAM KHẢO QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI (bản sao) v TÓM TẮC NGHIÊN CỨU GIA CƢỜNG KẾT CẤU NHỊP CẦU SÔNG RE II BẰNG HỆ CÁP DỰ ỨNG LỰC CĂNG NGOÀI Học viên: Trần Văn Hổ Chuyên nghành: Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông Khóa: K32 Trƣờng Đại học Bách Khoa – Đại học Đà Nẵng Tóm tắc: Ở nƣớc ta hiện tại số lƣợng cầu bê tông cốt thép cũ rất nhiều, chúng đã và sẽ còn đem lại những giá trị to lớn về kinh tế và giao thông vận tải. Tuy nhiên, do nhiều nguyên nhân khác nhau, nhiều cầu đã có dấu hiệu suy giảm năng lực chịu tải cũng nhƣ không đáp ứng đƣợc nhu cầu giao thông với tải trọng yêu cầu cao hơn. Do đó, cần phải có các biện pháp gia cƣờng để nâng cao năng lực chịu tải nhằm duy trì khả năng phục vụ của chúng. Trong đó có cầu Sông Re II hiện đã xuống cấp và không đáp ứng đƣợc yêu cầu khai thác hiện tại. Dựa trên số liệu khảo nghiệm và các số liệu thu thập từ các hồ sơ thực tế, tác giả đã đề xuất và chọn biện pháp gia cƣờng bằng hệ cáp dự ứng lực căng ngoài để tính toán gia cƣờng kết cấu nhịp cầu Sông Re II. Theo kết quả tính toán, tác giả đã xác định đƣợc cƣờng độ còn thiếu và gia cƣờng thêm hai tao cáp tăng cƣờng. Sau khi gia cƣờng kết cấu đảm bảo khả năng chịu lực theo trạng thái giới hạn cƣờng độ 1 và trạng thái giới hạn sử dụng. Từ khóa : Gia cƣờng cầu; cáp dự ứng lực ngoài; sửa chữa cầu; kiểm định cầu. RESEARCH IN STRENGTHENING STRUCTURE OF RE II BRIDGE WITH GENERATION EXTERNAL POST-TENSIONING CABLE Abstract: In Vietnam, the number of old reinforced concrete bridges is very high, which will bring enormous economic and transportation benefits. However, due to many reasons, many bridges had signs of weaker and can not meet the traffic with higher load requirements. Therefore, we need reinforcement measures to improve the load capacity. Currently, the Re II bridge has been degraded and can not meet the current demand. Based on surveys data and data collected from the records, the author proposed and selected measures reinforced by prestressed external tension cable system to calculate structural reinforced bridge the Song Re II bridge. According to the calculation results, the author has identified the missing strength and strengthen two additional cables. After reinforcing the structure to ensure the bearing capacity under the status of limit state 1 and service ability limit state. Key words: reinforcement; external post-tensioning cable; bridge repair; Demand testing. vi DANH MỤC CÁC TỪ NGỮ VIẾT TẮT BTCT : Bê tông cốt thép ĐBVN : Đƣờng bộ Việt Nam BT : Bê tông TCVN : Tiêu chuẩn Việt Nam TCN : Tiêu chuẩn ngành DUL : Dự ứng lực FRP : Fiber Reinforcel Polymer CĐC : Cƣờng độ cao TTGH CĐ : Trạng thái giới hạn cƣờng độ DC : Tĩnh tải giai đoạn 1 DW : Tĩnh tải giai đoạn 2 LL : Hoạt tải xe HL93 PL : Hoạt tải ngƣời đi bộ vii DANH MỤC BẢNG BIỂU Số hiệu Bảng 1.1: Bảng 1.2: Bảng 1.3: Bảng 1.4: Bảng 3.1: Bảng 3.2: Bảng 3.3: Bảng 3.4: Bảng 3.5: Bảng 3.6: Bảng 3.7: Bảng 3.8: Bảng 3.9: Bảng 3.10: Bảng 3.11: Bảng 3.12: Bảng 3.13: Bảng 3.14: Bảng 3.15: Bảng 3.16: Bảng 3.17: Bảng 3.18: Bảng 3.19: Bảng 3.20: Bảng 3.21: Bảng 3.22: Tên bảng Thể hiện tính chất cơ học khác nhau của các loại chất nền (Coker 2003) Một số đặc trƣng tiêu biểu của hệ thống tấm sợi FRP Một số đặc trƣng tiêu biểu của các sản phẩm FRP Hệ số giãn nở nhiệt theo các phƣơng của vật liệu FRP (theo Mallic 1998) Bảng tổng hợp tĩnh tải trên dầm Bảng hệ số phân bố hoạt tải và ngƣời đi bộ Bảng hệ số tải trọng Bảng tổng hợp giá trị nội lực mômen tại các mặt cắt Bảng tổng hợp giá trị nội lực lực cắt tại các mặt cắt Bảng tổng hợp nội lực dầm chủ Bảng tính toán giá trị mômen kháng uốn danh định Bảng kiểm tra sức kháng uốn trên dầm Bảng kết quả tính toán ứng suất do tĩnh tải + hoạt tải Bảng kiểm tra ứng suất biên trên do tĩnh tải + hoạt tải Bảng kiểm tra ứng suất biên dƣới do tĩnh tải + hoạt tải Bảng kết quả mô men do căng cáp Bảng mô men tổng cộng do tĩnh tải + hoạt tải và lực căng cáp Bảng mô men tổng cộng do tĩnh tải và lực căng cáp Bảng tính sức kháng uốn của dầm sau gia cƣờng Bảng kiểm tra sức kháng uốn trên dầm sau gia cƣờng Bảng so sánh sức kháng uốn tính toán của dầm trƣớc và sau khi gia cƣờng Bảng tính toán ứng suất của dầm do tĩnh tải + hoạt tải và lực căng cáp sau gia cƣờng Bảng kiểm tra ứng suất biên trên do tĩnh tải + hoạt tải và lực căng cáp sau gia cƣờng Bảng kiểm tra ứng suất biên dƣới do tĩnh tải + hoạt tải và lực căng cáp sau gia cƣờng Bảng so sánh ứng suất biên trên do tĩnh tải + hoạt tải và lực căng cáp trƣớc và sau gia cƣờng Bảng so sánh ứng suất biên dƣới do tĩnh tải + hoạt tải và lực căng cáp trƣớc và sau gia cƣờng Trang 7 8 9 9 44 47 47 49 53 55 57 58 59 59 59 60 61 61 62 63 63 64 64 64 65 65 viii Bảng 3.23: Bảng 3.24: Bảng 3.25: Bảng 3.26: Bảng 3.27: Bảng 3.28: Bảng 3.29: Bảng 3.30: Bảng 3.31: Bảng 3.32: Bảng 3.33: Bảng 3.34: Bảng 3.35: Bảng tính toán ứng suất của dầm do tĩnh tải và lực căng cáp sau gia cƣờng Bảng kiểm tra ứng suất biên trên do tĩnh tải và lực căng cáp sau gia cƣờng Bảng kiểm tra ứng suất biên dƣới do tĩnh tải và lực căng cáp sau gia cƣờng Bảng kết quả tính toán mất mát ứng suất do ma sát Bảng kết quả tính toán mất mát ứng suất do thiết bị neo Bảng kết quả tính toán mất mát ứng suất do tự chùng cốt thép Bảng tổng hợp kết quả tính toán mất mát ứng suất Bảng kết quả tính toán lực kéo trong cáp sau khi trừ tổng mất mát ứng suất Bảng tính toán ứng suất của dầm do tĩnh tải + hoạt tải và lực căng cáp tính đến mất mát ứng suất Bảng kiểm tra ứng suất biên trên do tĩnh tải + hoạt tải và lực căng cáp tính đến mất mát ứng suất Bảng kiểm tra ứng suất biên dƣới do tĩnh tải + hoạt tải và lực căng cáp tính đến mất mát ứng suất Bảng so sánh ứng suất biên trên do tĩnh tải + hoạt tải và lực căng cáp tính đến mất mát ứng suất trƣớc và sau gia cƣờng Bảng so sánh ứng suất biên dƣới do tĩnh tải + hoạt tải và lực căng cáp tính đến mất mát ứng suất trƣớc và sau gia cƣờng 66 66 66 66 66 67 67 67 68 68 68 68 68 ix DANH MỤC HÌNH Số hiệu Hình 1.1: Hình 1.2: Hình 1.3: Hình 1.4: Hình 1.5: Hình 1.6: Hình 1.7: Hình 1.8: Hình 1.9: Hình 1.10: Hình 2.1: Hình 2.2: Hình 2.3: Hình 2.4: Hình 2.5: Hình 2.6: Hình 2.7: Hình 2.8: Hình 2.9: Hình 2.10: Hình 2.11: Hình 2.12: Hình 2.13: Hình 2.14: Hình 2.15: Hình 2.16: Hình 2.17: Hình 2.18: Hình 3.1: Hình 3.2: Hình 3.3: Hình 3.4: Tên hình Các dạng tiết diện tăng cƣờng Biểu đồ thể hiện sự phân bố ứng dụng vật liệu composit ở Mỹ năm 2004 Hƣớng phân bố của cốt sợi (Smith, 1996). Bố trí tấm sợi FRP tăng cƣờng sức kháng uốn Bố trí tấm sợi FRP tăng cƣờng sức kháng cắt Tăng cƣờng kháng sức cắt cho dầm BTCT bằng tấm sợi FRP Tăng cƣờng dầm cầu BTCT bằng DUL ngoài tuyến cáp thẳng Tăng cƣờng dầm cầu BTCT bằng DUL ngoài tuyến cáp gẫy khúc Tăng cƣờng dầm cầu đơn giản BTCT nhiều nhịp bằng DUL ngoài để liên tục hoá các nhịp dầm Neo đặt vào khối dầm ngang đầu dầm Cầu Sông Re II Mặt cắt dọc cầu Sông Re II Mặt cắt ngang kết cấu nhịp Mặt cắt dọc kết cấu nhịp Kết cấu nhịp Trụ cầu Mố cầu Khe co giãn cầu Lan can cầu Sự làm việc của dầm bê tông cốt thép Bê tông ứng suất lực trƣớc thế kỷ 19 Bức chân dung của Eugene Freyssinet Khuyết điểm của kết cấu bê tông cốt thép thƣờng Bê tông cốt thép ứng lực trƣớc Sơ đồ tính toán gia cƣờng cáp DUL ngoài Sơ đồ 1 Sơ đồ 2 Sơ đồ 3 Mặt cắt ngang dầm chủ Bố trí cốt thép dầm chủ tại giữa nhịp Đặc trƣng xe tải thiết kế Phƣơng pháp đòn bẩy tính gm Trang 3 5 8 9 10 10 13 13 14 16 26 26 27 28 28 29 29 29 30 30 31 32 32 33 37 40 40 41 42 43 45 46 x Hình 3.5: Hình 3.6: Hình 3.7: Hình 3.8: Hình 3.9: Hình 3.10: Hình 3.11: Hình 3.12: Hình 3.13: Hình 3.14: Hình 3.15: Hình 3.16: Hình 3.17: Hình 3.18: Hình 3.19: Hình 3.20: Hình 3.21: Hình 3.22: Hình 3.23: Hình 3.24: Hình 3.25: Hình 3.26: Hình 3.27: Hình 3.28: Hình 3.29: Hình 3.30: Phƣơng pháp đòn bẩy tính gv Phƣơng pháp đòn bẩy tính gPL Đƣờng ảnh hƣởng mômen tại mặt cắt giữa nhịp Đƣờng ảnh hƣởng mômen tại mặt cắt 3L/8 Đƣờng ảnh hƣởng mômen tại mặt cắt L/4 Đƣờng ảnh hƣởng mômen tại mặt cắt L/8 Đƣờng ảnh hƣởng mômen tại mặt cắt cách gối 0,8m Đƣờng ảnh hƣởng lực cắt tại mặt cắt giữa nhịp Đƣờng ảnh hƣởng lực cắt tại mặt cắt 3L/8 Đƣờng ảnh hƣởng lực cắt tại mặt cắt L/4 Đƣờng ảnh hƣởng lực cắt tại mặt cắt L/8 Đƣờng ảnh hƣởng lực cắt tại mặt cắt cách gối 0,8m Đƣờng ảnh hƣởng lực cắt tại mặt cắt gối Biểu đồ bao mômen tổ hợp nội lực cƣờng độ Biểu đồ bao mômen tổ hợp nội lực sử dụng Biểu đồ bao mômen tổ hợp nội lực sử dụng do tĩnh tải Biểu đồ bao lực cắt tổ hợp nội lực cƣờng độ Biểu đồ bao lực cắt tổ hợp nội lực sử dụng Sơ đồ tính sức kháng uốn của dầm Sơ đồ tính ứng suất trên dầm Sơ đồ căng cáp DUL ngoài Biểu đồ mô men do căng cáp Biểu đồ mô men do tĩnh tải + hoạt tải và lực căng cáp Biểu đồ mô men do tĩnh tải và lực căng cáp Sơ đồ tính sức kháng uốn của dầm sau khi căng cáp DUL Sơ đồ tính ứng suất của dầm sau gia cƣờng 46 47 48 48 49 49 49 51 51 51 52 52 52 55 55 55 56 56 56 58 60 61 61 61 61 63 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Ở nƣớc ta hiện tại số lƣợng cầu bê tông cốt thép (BTCT) cũ rất nhiều, chúng đã và sẽ còn đem lại những giá trị to lớn về kinh tế và giao thông vận tải. Tuy nhiên có nhiều cầu BTCT cũ cũng đặt ra cho nƣớc ta những khó khăn mới, nhiều cầu cũ xuống cấp và có nguy cơ bị phá hoại. Cùng với quá trình hội nhập với khu vực và thế giới, khối lƣợng vận chuyển đã tăng lên rất nhanh, làm cho mật độ xe ở nhiều nơi tăng cao và số lƣợng xe có tải trọng lớn xuất hiện ngày càng nhiều, dẫn đến các cầu BTCT cũ bị khai thác nhiều hơn nên tuổi thọ của chúng sẽ giảm đi nhanh chóng. Theo báo cáo của Tổng cục ĐBVN, tính đến năm 2014, hệ thống quốc lộ nƣớc ta hiện có tổng chiều dài trên 19.000km, trong đó có hơn 4.700 cây cầu. Hiện tại thì trên mạng lƣới đƣờng giao thông có 1.672 cây cầu lạc hậu về chức năng khai thác cần phải nâng cấp, cải tạo xây dựng mới, trong đó, có 566 cầu đƣợc đánh giá là yếu [11]. Do đó cần phải có các biện pháp gia cƣờng để duy trì khả năng chịu lực và kéo dài thêm tuổi thọ cho chúng. Theo số liệu thống kê của Sở Giao thông vận tải Quảng Ngãi đến năm 2016, trên các tuyến Quốc lộ: Quốc lộ 24, quốc lộ 24B, quốc lộ 24C có tổng cộng 135 cây cầu và 2/3 trong tổng số cầu đƣợc xây dựng từ thập niên 80, 90 của thế kỷ trƣớc. Trong đó cầu Sông Re II tại lý trình: Km54+802 trên tuyến Quốc lộ 24 đƣợc xây dựng đƣa vào sử dụng năm 1994 đã xuống cấp cần phải cải tạo, gia cƣờng, bên cạnh đó tuyến Quốc lộ 24 còn là tuyến đƣờng huyết mạch, thông thƣơng giữa tỉnh Quảng Ngãi với các tỉnh Tây Nguyên và để đảm bảo giao thông luôn thông suốt nên cần thiết phải có các biện pháp gia cƣờng cầu Sông Re II để duy trì khả năng phục vụ của nó. Đề tài ‘‘Nghiên cứu gia cường kết cấu nhịp cầu Sông Re II bằng hệ cáp dự ứng lực căng ngoài’’ có ý nghĩa khoa học và thực tiễn. 2. Phạm vi nghiên cứu - Nghiên cứu sử dụng hệ cáp dự ứng lực để tăng cƣờng khả năng chịu lực cho kết cấu dầm BTCT. 3. Mục tiêu nghiên cứu - Tìm hiểu một số biện pháp gia cƣờng cầu BTCT và áp dụng hệ cáp DUL tăng cƣờng khả năng chịu lực cho cầu Sông Re II. 4. Phƣơng pháp nghiên cứu - Phƣơng pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp khảo sát số liệu thực tế. 2 5. Bố cục luận văn Ngoài phần mở đầu, kết luận và kiến nghị, tài liệu tham khảo trong luận văn gồm có các chƣơng nhƣ sau: Chương 1. Tổng quan về các biện pháp gia cƣờng cầu dầm bê tông cốt thép. Chương 2. Hiện trạng và lý thuyết tính toán gia cƣờng cầu Sông Re II Chương 3. Tính toán gia cƣờng kết cấu nhịp cầu Sông Re II bằng hệ cáp DUL ngoài. 3 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC BIỆN PHÁP GIA CƢỜNG CẦU DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP Hiện nay, trên thế giới cũng nhƣ ở Việt Nam có rất nhiều biện pháp gia cố và tăng cƣờng cho các công trình cầu BTCT cũ, nhƣ: - Gia cƣờng bằng phƣơng pháp tăng cƣờng tiết diện; - Gia cƣờng bằng phƣơng pháp dán tấm polymer cốt sợi cacbon (FRP); - Gia cƣờng bằng phƣơng pháp dùng hệ cáp dự ứng lực căng ngoài; Tuy nhiên xu hƣớng gần đây sử dụng hệ cáp dự ứng lực căng ngoài để gia cố và tăng cƣờng các công trình cầu khá phổ biến. Đối với cầu BTCT thì đây là phƣơng pháp có ƣu điểm nhƣ hiệu quả gia cƣờng phát huy đƣợc rất tốt, phƣơng pháp này khá phù hợp với cầu Sông Re II. 1.1. GIA CƢỜNG BẰNG PHƢƠNG PHÁP TĂNG CƢỜNG TIẾT DIỆN 1.1.1. Nguyên tắc cấu tạo Căn cứ vào từng trƣờng hợp cụ thể, việc gia cố bằng phƣơng pháp tăng cƣờng tiết diện có thể thực hiện nhƣ sau: - Tăng cƣờng tiết diện BT; - Tăng cƣờng tiết diện cốt thép; - Tăng cƣờng tiết diện bê tông kết hợp với tăng cƣờng tiết diện cốt thép. a) Tăng bề rộng và chiều cao tiết diện b) Tăng cốt thép chịu kéo c) Tăng chiều cao và cốt thép chịu kéo Hình 1.1: Các dạng tiết diện tăng cường 4 Nếu mức độ tăng cƣờng khả năng chịu lực của dầm không nhiều lắm thì chỉ cần tăng số lƣợng cốt thép chủ bằng cách hàn thêm một số cốt thép phụ vào những cốt thép chủ cũ của dầm, rồi trát vữa xi măng hay BT phun. Có thể hàn trực tiếp cốt thép mới vào cốt thép cũ hoặc đặt một miếng nêm vào giữa chúng, miếng nêm này là đoạn thép tròn, đƣờng kính 10 – 30 mm, dài 8 – 20 cm; các đoạn hàn cách nhau khoảng 100cm. Nhƣ vậy chiều cao của tiết diện đƣợc gia cƣờng tăng lên 2 – 8 cm. Nếu cần tăng cƣờng khả năng chịu lực của dầm lên nhiều thì phải tăng chiều cao tiết diện dầm về phía dƣới bằng cách đặt thêm cốt thép chủ mới, hàn vào cốt thép chủ cũ bằng các đoạn thép vai bò, thép đai đứng hoặc xiên. BT ốp tăng cƣờng tiết diện nên dùng BT có mác không nhỏ hơn mác BT của kết cấu cũ. Tùy theo điều kiện sử dụng công trình mà chọn loại xi măng và cốt liệu thích hợp. Chiều dày tối thiểu của phần BT ốp 30 – 40 mm khi dùng BT phun và không dƣới 60mm khi đổ thủ công. Độ sụt BT 3 – 4 cm khi sử dụng máy đầm và điều kiện dễ thao tác, 8 – 10 cm khi đầm bằng tay. 1.1.2. Ƣu nhƣợc điểm của phƣơng pháp tăng cƣờng tiết diện a. Ưu điểm: Có tính kinh tế, tốn ít vật liệu mà hiệu quả tăng cƣờng khả năng chịu lực cho kết cấu vẫn lớn, sửa chữa đƣợc những hƣ hỏng có trƣớc, giữ nguyên tính toàn khối của kết cấu bê tông cốt thép. Việc thi công không phức tạp, không có yêu cầu gì đặc biệt về vật tƣ, phƣơng tiện. b. Nhược điểm: Chỉ áp dụng đƣợc cho kết cấu BTCT thƣờng, thi công ở nơi sông không sâu, không có khổ thông thuyền. Không lƣu thông đƣợc trên cầu khi tiến hành gia cƣờng. Sự tham gia làm việc của phần tăng cƣờng với kết cấu cần tăng cƣờng không đƣợc chặt chẽ nhƣ một khối thống nhất. Vì phần BT cũ và BT mới có thể hình thành một mặt trƣợt do lực dính giữa chúng không thể đảm bảo nhƣ nguyên khối. Hơn nữa, trong quá trình đóng rắn, phần BT mới sẽ bị co ngót, có nguy cơ phá vỡ độ dính kết với phần đƣợc tăng cƣờng. Đồng thời có sự chênh lệch về ứng suất giữa phần gia cƣờng và phần đƣợc gia cƣờng, càng làm tăng khả năng trƣợt giữa 2 lớp vật liệu cũ và mới, làm giảm hiệu quả của phần gia cƣờng. 1.2. GIA CƢỜNG CẦU BẰNG TẤM POLYMER CỐT SỢI CACBON (FRP) Tấm Polime cốt sợi các bon theo tiếng Anh là: Fiber Reinforced Polymer (FRP) là một dạng vật liệu composite đƣợc chế tạo từ các vật liệu sợi. Có ba loại vật liệu sợi thƣờng đƣợc sử dụng là sợi cacbon, sợi thủy tinh, sợi aramid. Các sản phẩm FRP tƣơng ứng với các loại sợi sử dụng tạo thành là: CFRP, GFRP, AFRP. Vật liệu FRP có các dạng nhƣ: FRP dạng tấm, FRP dạng thanh, FPR dạng cáp, FRP dạng vải, dạng cuộn. Trong sửa chữa và tăng cƣờng kết cấu thƣờng dùng dạng tấm và dạng vải. Tăng cƣờng tải trọng bằng công nghệ này chính là việc áp dụng tấm polime cốt sợi Cac-bon nhằm tăng khả năng chịu lực và chống nứt kết cấu cầu BTCT thay thế cho phƣơng pháp dán bản thép đã áp dụng ở Việt Nam trƣớc đây. Việc thiết kế chống trƣợt 5 và võng tuân thủ theo thiết kế kết cấu BT truyền thống. Phải xem đến độ biến dạng tới hạn riêng của thép và tấm mỏng. Phƣơng pháp phân tích dàn ảo, mép của tấm mỏng phải đƣợc neo vào phía ngoài của BT theo hƣớng của các lực kéo. Tấm của FRP có thể phá vỡ do sự phá vỡ của độ dính bám dọc cùng với sự rạn nứt của BT, nhƣ đã đƣợc biết biết đến đối với các tấm thép. Kiểm tra về độ bám dính đã chỉ ra rằng, mô hình trƣớc đây về độ bám dính có thể thích ứng đƣợc cho tấm FRP. 1.2.1. Quá trình phát triển của vật liệu FRP Kết cấu BTCT là loại vật liệu có sự tiến hóa theo thời gian và rất nhạy cảm với các điều kiện môi trƣờng. Cả BT lẫn thép, hai loại vật liệu cấu thành nên kết cấu BTCT, dƣới tác động xâm thực mạnh của môi trƣờng đều dễ bị suy thoái theo thời gian. Cách đây vài thế kỷ ngƣời ta đã có ý tƣởng sử dụng vật liệu composit trong xây dựng. Ở các nƣớc châu Âu và Bắc Mỹ nhƣ Canada, Mỹ đã nghiên cứu ra loại vật liệu mới nhằm tăng cƣờng khả năng chịu lực cho công trình. Sản phẩm composit đầu tiên đƣợc 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 nhƣ không gian vũ trụ, ngành điện, giao thông… Do có cƣờng độ cao và trọng lƣợng nhẹ nên những năm 60 của thế kỷ trƣớc, các ngành hàng không và ngành sản xuất ô tô cũng đã sử dụng loại vật liệu này. Xe hơi & Ptiện GT 20% Tàu thủy & Ptiện GT thuỷ 3% 32% Hàng không Đồ dùng Thiết bị 22% 5% 7% 1% 10% Điện & điện tử Xây dựng Các sản phẩm khác Hình 1.2: Biểu đồ thể hiện sự phân bố ứng dụng vật liệu composit ở Mỹ năm 2004 (Nguồn ACMA) Từ biểu đồ trên cho chúng ta thấy ứng dụng vật liệu composit vào các ngành xây dựng chiếm tỷ lệ lớn là 20%. Ý tƣởng về ứng dụng composit trong xây dựng xuất hiện bắt đầu từ năm 1950. Từ thời điểm này hƣớng phát triển chính của vật liệu FRP trong xây dựng là ứng dụng FRP để tăng cƣờng và sửa chữa kết cấu BTCT. Trong suốt những năm 1970 đến những năm 1980 nhiều ứng dụng của vật liệu FRP đã phổ biến ở Châu Âu, Mỹ. Năm 1986, cầu Kattenbausch ở Đức đƣợc sửa chữa bằng vật liệu FRP. Vật liệu FRP có nhiều ƣu điểm nên đƣợc sử dụng rộng rải trong xây dựng tại Nhật Bản, Mỹ, châu Âu và bắt đầu xuất hiện ở các nƣớc Đông Nam Á. Dƣới đây là một số ƣu điểm chính của vật liệu FRP. 6 + Cƣờng độ chịu kéo, mô đun đàn hồi rất cao và trọng lƣợng nhỏ; + Khả năng chống mài mòn cao, có sức đề kháng tốt với các chất xâm thực; + Độ bền rất cao; + Cách điện, chịu nhiệt tốt; + Thi công đơn giản ít tốn nhân công, không cần máy móc; + Chịu mỏi cao; + Không cần bão dƣỡng chống rỉ trong quá trình khai thác. 1.2.2. Vật liệu Tấm FRP có cấu trúc nền là Epoxy và cấu trúc sợi là sợi cacbon. Đƣợc đặt chủ yếu theo chiều dọc, sợi ngang ít hơn và đƣợc dệt vuông. Tấm FRP thƣơng phẩm có độ dày từ 1-1,5 mm và chiều rộng từ 50-100 mm. Tấm này chứa 60-70% (theo thể tích) sợi cacbon với đƣờng kính khoản 8µm, đƣợc rải theo hƣớng nhất định trong thảm epoxy. Sợi cacbon có mô-đun đàn hồi 240-900MPa và cƣờng độ chịu kéo 2.0007.000MPa. Sợi Cacbon là sợi có giá thành đắt nhất so với hai loại sợi thủy tinh và sợi aramid, gấp 5-7 lần sợi thủy tinh. Sợi cacbon nhẹ hơn và cƣờng độ cao hơn khi so sánh với các sợi thủy tinh và aramid. Chúng có sức kháng rất cao với tải trọng động, đặc biệt mỏi và từ biến, có hệ số giản nở nhiệt thấp. Sợi cacbon đƣợc sản xuất bằng phƣơng pháp nhiệt phân và hữu cơ kết tinh ở nhiệt độ trên 20000C, sợi đƣợc xử lý nhiệt theo nhiều quá trình để tạo ra các sợi các bon. Sản phẩm sợi tạo thành có các thay đổi nên tồn tại nhiều loại sợi khác nhau. Hiện nay sợi cacbon ngày càng sử dụng phổ biến trong kết cấu xây dựng do chúng có các ƣu điểm, nhƣ: Cƣờng độ cao, trọng lƣợng nhẹ, khả năng chống mài mòn cao. Tính chất của tấm theo chiều dọc hầu nhƣ bị chi phối mạnh mẻ bởi sợi cacbon. Tấm FRP có Mô-đun đàn hồi 150-300 MPa và cƣờng độ kéo 2.000-3.000 MPa. Tƣơng tự nhƣ sợi cacbon, đƣờng biến thiên giữa ứng suất và độ biến dạng của các tấm là tuyến tính đàn hồi cho đến khi bị phá hủy. Mặc dù vai trò của thảm epoxy đối với cƣờng độ của các tấm là không đáng kể nhƣng cƣờng độ kéo khoản 60-90 MPa cao hơn rất nhiều so với cƣờng độ BT là yếu tố phải có để truyền các ứng suất bám dính. Độ biến dạng cực đại cao 3-5% đảm bảo sức chịu của các sợi đối với toàn bộ ứng suất có thể có trong tấm. Cƣờng độ tức thời của tấm polime cốt sợi cacbon thích hợp cho việc chịu tải trọng của cầu. Độ co giãn do trƣợt và đồng trục cũng nhƣ độ nới lỏng là không đáng kể. * Chất kết dính Chất kết dính hay còn gọi là chất dẻo nền phần lớn là epoxy hai thành phần trộn với cốt liệu. Cƣờng độ kéo ≥ 30 MPa vƣợt hơn BT gấp 10 lần. Chất kết dính epoxy có độ co ngót và biến dạng mỏi thấp cũng nhƣ sức đề khan hóa học và chịu nhiệt cao. Các chất 7 keo dán cũng đã đƣợc thử nghiệm có kết quả và đƣợc bán kèm với tấm polime cốt sợi cacbon. Chất kết dính có các tác dụng sau: + 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 hƣởng do môi trƣờng; + Kết dính các sợi lại 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, còn cốt sợi chịu tải trọng, cƣờng độ, độ cứng, ổn định nhiệt. Chất dẻo nền dùng để sản xuất vật liệu FRP thƣờng sử dụng là viny lester, polyethylene, epoxy. Trong đó, chất Epoxy đƣợc sử dụng rộng rãi hơn hai chất kia, chất này có các ƣu điểm chính là: + Không bay hơi và độ co ngót thấp trong suốt quá trình lƣu hóa; + Sức khan rất tốt với sự thay đổi hóa học; + Dính bám với cốt sợi rất tốt. Bảng 1.1: Thể hiện tính chất cơ học khác nhau của các loại chất nền (Coker 2003) Đặc trƣng Epoxy Vinylester Polyester Tỷ trọng (Ib/in3) 0,04-0,047 0,038-0,04 0,036-0,052 Mô đun đàn hồi kéo (ksi) 350-870 465-520 400-490 Cƣờng độ chịu kéo (ksi) Aug-15 11.8-13 6-Dec Cƣờng độ chịu nén (ksi) 13-16 15-20 14.5-17 Mô đun đàn hồi (ksi) 360-595 410-500 460-490 Hệ số poisson 0,37 0,373 0,35-0,4 1.2.3. Các đặc trƣng cơ học của vật liệu FRP Vật liệu FRP có cƣờng độ và độ cứng phụ thuộc vào vật liệu hợp thành, đặc trƣng vật liệu của FRP phụ thuộc vào đƣờng kính sợi, hƣớng phân bố các sợi và các đặc trƣng cơ học của chất dẻo nền. Hiện nay sợi cacbon và sợi thủy tinh với cấu trúc nền là epoxy đƣợc sử dụng rộng rãi. Sợi aramid độ bền thấp, trong môi trƣờng nhiệt độ cao thì làm việc kém. Trong khi đó, sợi cacbon có mô đun đàn hồi cao nên đƣợc sử dụng phổ biến trong các kết cấu xây dựng. Đặc trƣng cơ học của FRP phụ thuộc vào những yếu tố dƣới đây: + Đặc trƣng cơ học của sợi (sử dụng sợi cacbon, sợi aramid hay sợi thủy tinh); + Đặc trƣng cơ học của chất nền (sử dụng Epoxy,Vinylester hay Polyester); 8 + Tỷ lệ giữa sợi và chất nền trong cấu trúc FRP; + Hƣớng phân bố của các sợi trong chất nền. Bảng 1.2: Một số đặc trưng tiêu biểu của hệ thống tấm sợi FRP Chiều dày thiết kế (mm) Cƣờng độ chịu kéo (MPa) Mô đun đàn hồi (GPa) Hệ thống FRP Loại sợi Trọng lƣợng (g/m2) Tấm Tyfo SEH51 Thủy tinh 915 1,3 575 26,1 Tấm Tyfo SCH41 Cacbon 644 1 985 95,8 Tấm Hex 100G Thủy tinh 915 0,36 2,3 72 Tấm Hex 103C Cacbon 610 0,11 3,8 235 Tấm Carbodur S Cacbon 2,1 1,2-1,4 2,8 165 Tấm Carbodur M Cacbon 2,24 1,2 2,4 210 Tấm Carbodur H Cacbon 2,24 1,2 1,3 300 Tấm Mbrace EG 900 Thủy tinh 900 0,37 1,517 72,4 Tấm Mbrace AK 60 Aramid 600 0,28 2 120 Mbrace CF 130 Cacbon 300 0,17 3,8 227 Mbrace CF 160 Cacbon 600 0,33 3,8 227 Hình 1.3: Hướng phân bố của cốt sợi (Smith, 1996).