Tài liệu Nghiên cứu hiệu quả các biện pháp gia cường sức kháng uốn sử dụng bản thép và mở rộng tiết diện bằng thực nghiệm và mô hình số

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TRẦN TRUNG NHÂN NGHIÊN CỨU HIỆU QUẢ CÁC BIỆN PHÁP GIA CƯỜNG SỨC KHÁNG UỐN SỬ DỤNG BẢN THÉP VÀ MỞ RỘNG TIẾT DIỆN BẰNG THỰC NGHIỆM VÀ MÔ HÌNH SỐ LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG Đà Nẵng – Năm 2017 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TRẦN TRUNG NHÂN NGHIÊN CỨU HIỆU QUẢ CÁC BIỆN PHÁP GIA CƯỜNG SỨC KHÁNG UỐN SỬ DỤNG BẢN THÉP VÀ MỞ RỘNG TIẾT DIỆN BẰNG THỰC NGHIỆM VÀ MÔ HÌNH SỐ Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng Công trình giao thông Mã số: 60.58.02.05 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. CAO VĂN LÂM Đà Nẵng – Năm 2017 iii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................ i CAM ĐOAN .................................................................................................................. ii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ............................................................................ vi MỤC LỤC .................................................................................................................... iii DANH MỤC CÁC BẢNG.......................................................................................... vii DANH MỤC CÁC HÌNH ......................................................................................... viii MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1 1. Tính cấp thiết của đề tài ......................................................................................1 2. Đối tượng nghiên cứu của đề tài .........................................................................3 3. Phạm vi nghiên cứu ............................................................................................3 4. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài ...........................................................................3 5. Phương pháp nghiên cứu ....................................................................................3 6. Kết cấu của đề tài: ...............................................................................................4 Chương 1 - TỔNG QUAN VỀ CÁC BIỆN PHÁP GIA CƯỜNG ............................6 1.1.Tổng quan về cầu BTCT thường ......................................................................6 1.2.Các biện pháp gia cường của cầu cũ: ...............................................................7 1.2.1. Gia cường bằng tăng cường tiết diện .......................................................7 1.2.2. Gia cường bằng dán bản thép .................................................................10 1.3.Xu hướng áp dụng của các biện pháp gia cường ............................................12 1.4.Những vấn đề còn gặp phải của công tác sửa chữa, gia cường cầu: ..............12 Chương 2 - CƠ SỞ LÝ THUYẾT ..............................................................................14 2.1. Phương pháp tính toán truyền thống: ............................................................14 2.1.1. Các giả thiết ............................................................................................14 2.1.2 Tính toán dầm chưa gia cường: ...............................................................14 2.1.3 Tính toán dầm gia cường sức kháng uốn bằng bản thép .........................16 2.1.4 Tính toán dầm gia cường bằng tăng cường tiết diện: ..............................16 2.2. Tính toán bằng phương pháp phần tử hữu hạn ..............................................16 2.2.1. Cơ sở tính toán theo phương pháp phần tử hữu hạn ..............................16 2.2.2. Cơ sở lý thuyết tính toán bằng phần mềm Abaqus ................................17 2.3 Bài toán tính toán gia cường: ..........................................................................18 2.3.1 Cơ sở quy đổi: .........................................................................................18 2.3.2 Kích thước quy đổi dầm thí nghiệm ........................................................18 2.4 Tính toán gia cường dầm thực tế bằng phương pháp truyền thống: ...............20 2.4.1 Sức kháng uốn dầm chưa gia cường (0,5HL93): ....................................21 2.4.2 Sức kháng uốn dầm gia cường bằng bản thép (0,65HL93): ...................21 2.4.3 Sức kháng uốn dầm gia cường khi mở rộng tiết diện (0,65HL93): ........21 2.5 Tính toán dầm thí nghiệm bằng phương pháp truyền thống: .........................22 iv 2.5.1 Sức kháng uốn dầm thí nghiệm khi chưa gia cường: ..............................22 2.5.2 Sức kháng uốn dầm thí nghiệm khi gia cường bằng bản thép: ...............22 2.5.3 Sức kháng uốn dầm thí nghiệm khi gia cường bằng mở rộng tiết diện: .22 2.6 Tính toán dầm thí nghiệm bằng phần mềm Abaqus: ......................................23 Chương 3 - BÀI TOÁN THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ GIA CƯỜNG ........................................................................................................................31 3.1. Cơ sở của bài toán thực nghiệm: ...................................................................31 3.2. Quá trình tiến hành thực nghiệm ...................................................................32 3.2.1. Cấu tạo dầm thí nghiệm..........................................................................32 3.2.2. Quá trình chế tạo dầm thí nghiệm ..........................................................32 3.2.3. Quá trình nén tạo nứt dầm ......................................................................35 3.2.4. Quá trình gia cường ................................................................................37 3.2.5. Quá trình gia tải nén phá hủy .................................................................39 3.3. Kết quả thực nghiệm ......................................................................................42 3.3.1. Ứng suất, độ võng quá trình nén tạo nứt: ...............................................43 3.3.2. Xét dầm đối chứng: ................................................................................44 3.3.3. Dầm gia cường dán bản thép: .................................................................45 3.3.4. Dầm gia cường mở rộng tiết diện:..........................................................46 3.4. So sánh đánh giá hiệu quả giữa thực nghiệm, lý thuyết và phần mềm Abaqus .......................................................................................................................................47 3.5. Kết luận ..........................................................................................................49 KẾT LUẬN ..................................................................................................................50 TÀI LIỆU THAM KHẢO QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (Bản sao) v “NGHIÊN CỨU HIỆU QUẢ CÁC BIỆN PHÁP GIA CƯỜNG SỨC KHÁNG UỐN SỬ DỤNG BẢN THÉP VÀ MỞ RỘNG TIẾT DIỆN BẰNG THỰC NGHIỆM VÀ MÔ HÌNH SỐ” Học viên: Trần Trung Nhân Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng Công trình giao thông Khóa: 31 Trường Đại học Bách khoa – ĐHĐN Tóm tắt - Việc đầu tư cho cơ sở hạ tầng là nhu cầu cần thiết để thúc đẩy sự phát triển kinh tế. Nhưng nếu muốn nâng tải trọng cầu thì phải xây mới đó là điều rất lãng phí nếu cầu còn sử dụng tốt và chỉ một vài cấu kiện trong toàn bộ kết cấu không đảm bảo sức chịu tải khi tăng tải trọng, vì vậy việc tăng cường gia cường những kết cấu đó rất được chú trọng. Trong đó dầm là cấu kiện phổ biến nhất. Nghiên cứu này được đề xuất cho biện pháp gia cường dầm cầu bê tông cốt thép thường bằng hai phương pháp: dán bản thép và mở rộng tiết diện. Từ kết quả nghiên cứu so sánh khả năng chịu lực khi tăng tải trọng, nhầm chọn ra một phương pháp phù hợp nhất đối với từng địa phương và từng trường hợp khác nhau. Ở phần nghiên cứu này chúng ta nén tạo nứt dầm trước khi gia cường để mô phỏng gần đúng với thực tế sự làm việc của dầm cầu bê tông cốt thép cũ. Khi làm việc có cả 3 phương pháp: tính gia cường bằng lý thuyết cổ điển, bằng phần mềm Abaqus và kiểm chứng bằng thực nghiệm sẽ cho ta nhiều kết quả, từ đó có thể xác định được phương pháp gia cường tốt nhất và cách thiết kế gia cường chính xác nhất khi cần. Từ khóa – Biện pháp gia cường; bê tông cốt thép thường; dán bản thép; mở rộng tiết diện; thực nghiệm “STUDY ON THE EFFECTIVENSS OF BENDING RESISTANCE STRENGTHENING BY STEEL PLATES AND CROSS SECTION EXTENSION WITH EMPIRICAL MODEL AND ABAQUS SOFTWARE” Abstract - Infrastructural investment is a vital need for acceleration of economic development. But it would be a huge waste for construction of new bridge if we only want to increase bridge load, in case where bridge is in good operational condition except few structural components could not meet the load increment requirement. As such, resistance strengthening for steel structures is utmost important while girders are most common items. This study aims to propose bridge girder strengthening method for normal reinforced concrete bridges by two techniques: steel plate adherence and cross section expansion. Based on the comparative outcomes when studying load resistance capacity during load increment, it would be able to select one best and suitable method depending on the location and specific case. In this study, we will create a crack at a girder by compressing prior to strengthening in order to simulate the actual working girder of an old normal reinforced concrete bridge. We will get various outputs from three working techniques: strengthening theoretical calculation, by Abaqus software and verification of experimental model, that would help to determine which one is best strengthening method and most accurate design for strengthening when necessary. Key words - strengthening method, reinforced concrete, steel plate adherence, cross-section expansion, experimental model. vi DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT BTCT DƯL ĐBVN GTVT PPPTHH PTVPTP TCN TCTD TTGH CĐ TTGH SD : Bê tông cốt thép : Dự ứng lực : Đường bộ Việt Nam : Giao thông vận tải : Phương pháp phần tử hữu hạn : Phương trình vi phân từng phần : Tiêu chuẩn ngành : Tăng cường tiết diện : Trạng thái giới hạn Cường độ : Trạng thái giới hạn Sử dụng vii DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu bảng 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 3.1 3.2 Tên bảng Thông số kĩ thuật của dầm thực tế. Thông số kĩ thuật của dầm thí nghiệm. Tổ hợp nội lực theo TTGH CĐ So sánh kết quả tính toán khi nâng tải trọng lên 0,65HL93 Quy đổi kích thước vật liệu gia cường theo dầm thí nghiệm So sánh kết quả tính toán theo lý thuyết cổ điển khi tải trọng là 0,65HL93 của dầm thí nghiệm So sánh kết quả lý thuyết và phần mềm Abaqus Bố trí số lượng dầm thí nghiệm gia cường Kết quả mô men giới hạn Trang 18 19 20 21 22 23 29 32 48 viii DANH MỤC CÁC HÌNH Số hiệu hình 1 2 3 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 2.10 2.11 2.12 2.13 2.14 2.15 2.16 2.17 2.18 2.19 2.20 2.21 2.22 2.23 2.24 3.1 3.2 Tên hình Cần thiết của việc nghiên cứu gia cường Hiện trạng cầu ở Việt Nam năm 2014 Xe quá tải qua cầu yếu Gia cường bằng tăng cường tiết diện Hình ảnh thực tế gia cường bằng tăng cường tiết diện Tăng cường khả năng chịu uốn của dầm bê tông cốt thép Gia cường bằng bản thép dầm BTCT thường. Cầu Bà Rén (Quảng Nam) Mặt cắt ngang dầm chưa gia cường Mô hình tính toán gia cường sức kháng uốn bằng dán bản thép. Giao diện phần mềm Abaqus 6.13. Mặt cắt ngang dầm thực tế. Mặt cắt ngang dầm thí nghiệm Thí nghiệm vật liệu gia cường. Mô hình dầm bê tông. Mô hình toàn bộ hệ thống cốt thép. Mô hình vật liệu gia cường uốn Thiết lập vật liệu cốt thép dọc. Gán mặt cắt vào cấu kiện dầm bê tông. Lắp ghép cấu kiện. Thiết lập phân tích Thiết lập ràng buộc Thiết lập tải trọng Thiết lập điều kiện biên Chia lưới dầm bê tông Chia lưới vật liệu gia cường uốn Chia lưới hệ thống cốt thép Thiết lập công việc Chuyển vị trong dầm gia cường bản thép Phổ ứng suất trong cốt thép dầm Phổ ứng suất trong dầm gia cường bản thép Quan hệ giữa lý thuyết và phần mềm Abaqus Sơ đồ bố trí tải trọng khi uốn. Kích thước và bố trí cốt thép dầm thí nghiệm. Trang 1 2 2 8 9 10 10 11 14 16 17 19 20 22 24 24 24 25 25 25 26 26 26 27 27 27 27 28 28 28 29 29 31 32 ix Số hiệu Tên hình hình 3.3 Gia công ván khuôn. 3.4 Gia công cốt thép. 3.5 Lắp đặt cốt thép, lắp dựng ván khuôn 3.6 Đổ, đầm và tạo phẳng bề mặt bê tông dầm. 3.7 Đúc mẫu nén cường độ bê tông. 3.8 Dầm vừa mới chế tạo xong. 3.9 Dầm đạt cường độ. 3.10 Kiểm tra dầm trước khi nén và đánh số thứ tự 3.11 Sơ đồ khung trục mô hình nén tạo nứt 3.12 Dán Strain gage đo biến dạng và nối với máy vi tính hiển thị. 3.13 Tìm đo vết nứt, vẽ và ghi lại giá trị lực nét tạo nứt 3.14 Mài nhẵn bề mặt g/c uốn dán bản thép 3.15 Tạo nhám chuẩn bị bề mặt tiếp xúc g/c mở rộng tiết diện. 3.16 Vệ sinh bề mặt trước khi gia cường 3.17 Pha trộn keo và dán bản thép. 3.18 Lắp đặt ván khuôn, cốt thép và đổ bê tông. 3.19 Các loại thiết bị sử dụng trong thí nghiệm nén phá hủy 3.20 Lắp đặt đồng hồ chuyển vị và dây rung đo biến dạng 3.21 Tiến hành gia tải ghi số liệu và tìm vết nứt 3.22 Dầm bắt đầu nứt và bị phá hủy 3.23 Lắp đặt đồng hồ chuyển vị và dây rung đo biến dạng 3.24 Tiến hành gia tải ghi số liệu và tìm vết nứt 3.25 Dầm bắt đầu nứt và bị phá hủy 3.26 Dầm sau khi thí nghiệm gia cường sức kháng uốn bằng bản thép. 3.27 Dầm sau khi thí nghiệm gia cường sức kháng uốn bằng TCTD 3.28 Quan hệ tải trọng – độ võng quá trình nén tạo nứt dầm 3.29 Quan hệ tải trọng - ứng suất quá trình nén tạo nứt dầm 3.30 Quan hệ tải trọng - ứng suất dầm không gia cường 3.31 Quan hệ tải trọng – độ võng dầm không gia cường 3.32 Quan hệ tải trọng - ứng suất dầm gia cường bản thép 3.33 Quan hệ tải trọng – độ võng dầm gia cường bản thép 3.34 Quan hệ tải trọng-ứng suất dầm mở rộng tiết diện 3.35 Quan hệ tải trọng-độ võng dầm mở rộng tiết diện 3.36 Quan hệ tải trọng – độ võng theo lý thuyết 3.37 Quan hệ tải trọng – độ võng đo bằng thực nghiệm của các Trang 32 33 33 34 34 34 35 35 36 36 36 38 38 38 39 39 40 40 41 41 41 42 42 42 43 43 44 44 45 45 46 46 47 47 48 x Số hiệu hình 3.38 Tên hình phương pháp gia cường khi gia tải đến cấp tải 3,4T (dầm đối chứng phá hủy ở tải 3,6T) Quan hệ tải trọng – độ võng đo bằng thực nghiệm của các phương pháp gia cường ở cấp tải phá hủy Trang 48 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Việt Nam có điều kiện thời tiết phức tạp, bất lợi cho công trình xây dựng nói chung và kết cấu bê tông cốt thép nói riêng. Xét tỉnh Trà Vinh, sự xâm thực mạnh của môi trường gây ra hiện tượng rỉ thép, bong tróc lớp bê tông bảo vệ và làm giảm sức chịu tải của hệ thống kết cấu chịu lực bằng bê tông cốt thép. Cùng với sự phát triển nhanh chóng của nền kinh tế quốc dân, thì sự phát triển của các ngành nghề nói chung, đời sống người dân nói riêng cũng được nâng cao, đòi hỏi sự phát triển của cơ sở hạ tầng kỹ thuật phù hợp trong đó có mạng lưới giao thông. Để phát triển mạng lưới hạ tầng giao thông, sửa chữa và nâng cấp thường là giải pháp hữu hiệu vì việc thay mới hàng loạt công trình đòi hỏi khoản tài chính rất lớn, khó có thể đáp ứng được. Việc nghiên cứu các giải pháp công nghệ sửa chữa, gia cường để duy trì và phục hồi sự làm việc bình thường của kết cấu công trình cầu bằng bê tông cốt thép là một yêu cầu cấp thiết. Vì vậy, cần có nhiều nghiên cứu, đánh giá đưa ra biện pháp gia cường tối ưu nhằm đảm bảo hiệu quả kinh tế, kỹ thuật. Nghiên cứu này so sánh, đánh giá hiệu quả gia cường sức kháng uốn khi sử dụng biện pháp gia cường dán bản thép và mở rộng tiết diện đối với cầu BTCT thường dựa trên kết quả thực ngiệm và kết từ phần mềm Abaqus. Hình 1: Cần thiết của việc nghiên cứu gia cường Tính đến năm 2014, theo báo cáo của Tổng cục ĐBVN, hệ thống quốc lộ nước ta hiện có tổng chiều dài trên 19.000 km, trong đó có hơn 4.700 cây cầu do Tổng cục Đường bộ quản lý [1]. Theo thống kê sơ bộ, toàn quốc 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 2 được đánh giá là yếu [1]. Có 45 cầu cần được sửa chữa ngay trong giai đoạn 2012 2015, 262 cầu cần sửa chữa lớn giai đoạn 2015 - 2020. Hình 2: Hiện trạng cầu ở Việt Nam năm 2014 theo báo cáo của Tổng cục ĐBVN (Nguồn http://drvn.gov.vn). Nguyên nhân chủ yếu là do đa số các cây cầu được xây dựng từ lâu (trước 1954) mang quy mô bé, cường độ vận tải thấp, chịu ảnh hưởng của chiến tranh… công tác duy tu, bảo dưỡng, vận hành khai thác chưa được chú trọng, xe quá tải ngày càng nhiều. Bên cạnh đó, nhiều cây cầu BTCT cũ được xây dựng sau này cũ đã xuất hiện các hư hỏng như xuất hiện các vết nứt, bị phá hủy tầng bảo hộ hay hư hại các liên kết ngang... Vì vậy cũng không đảm bảo điều kiện an toàn cho vận tải. Trong khi nhu cầu vận tải trên toàn quốc ngày càng tăng nhanh, tải trọng của các phương tiện qiao thông ngày càng tăng thì việc khả năng khai thác sử dụng của các cây cầu cũ này rõ ràng là không còn đảm bảo. Hình 3: Xe quá tải qua cầu yếu 3 Trước thực trạng đó, việc nghiên cứu hiệu quả các biện pháp gia cường 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 nhân sách hạn hẹp như hiện nay việc nâng cấp sửa chữa, gia cường cầu cũ thường nhằm các mục đích: - Tăng cường khả năng chịu uốn. - Tăng cường sức kháng cắt. - Tăng cường độ cứng của cầu, giảm độ võng, … Trong đó, việc gia cường nhằm tăng cường sức kháng uốn đóng một vai trò hết sức cần thiết và quan trọng trong công tác gia cường sửa chữa cầu cũ. Cho đến hiện nay, để đi tìm câu trả lời cho những vấn đề sau luôn là vấn đề khó trong công tác duy tu sửa chữa cầu: - Lựa chọn biện pháp gia cường nào là hiệu quả? - Hiệu quả sau khi gia cường là bao nhiêu? - Tương quan giữa tính toán lý thuyết và thực nghiệm là như thế nào? Để giải quyết những vấn đề trên cần phải có những nghiên cứu chi tiết kết hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm. Do đó, em chọn đề tài : “Nghiên cứu hiệu quả các biện pháp gia cường sức kháng uốn sử dụng bản thép và mở rộng tiết diện bằng thực nghiệm và mô hình số”. 2. Đối tượng nghiên cứu của đề tài - Các công trình cầu bê tông cốt thép thường. - Phần mềm tính toán Abaqus. 3. Phạm vi nghiên cứu - Tính toán gia cường sức kháng uốn của dầm bê tông cốt thép thường bằng dán bản thép và mở rộng tiết diện. - Kiểm chứng bằng thực nghiệm sức kháng uốn khi gia cường bằng 2 phương pháp trên. 4. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài - Tính toán sức kháng bằng lý thuyết. - Đề xuất gia cường bằng dán bản thép và mở rộng tiết diện. - Kiểm chứng hiệu quả gia cường bằng phần mềm Abaqus. - Kiểm chứng hiệu quả gia cường bằng mô hình thực nghiệm. 5. Phương pháp nghiên cứu Tính toán gia cường cho công trình cầu BTCT thường thực tế, sau đó quy đổi về mô hình dầm thí nghiệm tương đương thông qua độ cứng. Trên mô hình dầm thí nghiệm này, tác giả tiến hành: - Nghiên cứu cơ sở lý thuyết. - Nghiên cứu mô hình hóa kết cấu theo phương pháp PTHH để phân tích kết cấu 4 dầm BTCT thường bằng phần mềm Abaqus. - Nghiên cứu trên mô hình thực nghiệm. - So sánh, đánh giá hiệu quả nghiên cứu. 6. Kết cấu của đề tài: Chương 1: Tổng quan về các biện pháp gia cường 1.1. Tổng quan về cầu BTCT thường 1.2. Các biện pháp gia cường của cầu cũ 1.2.1. Gia cường bằng tăng cường tiết diện 1.2.2. Gia cường bằng dán bản thép 1.3. Xu hướng áp dụng của các biện pháp gia cường 1.4. Những vấn đề còn gặp phải của công tác sửa chửa, gia cường cầu Kết luận chương 1 Chương 2: Cơ sở lý thuyết 2.1. Phương pháp tính toán truyền thống 2.1.1. Các giả thuyết tính toán 2.1.2. Tính toán dầm chưa gia cường 2.1.2.1. Tính toán đặt trưng hình học và các tham số liên quan 2.1.2.2. Tính toán sức kháng uốn của dầm 2.1.3. Tính toán gia cường sức kháng uốn bằng bản thép 2.1.4. Tính toán gia cường sức kháng uốn bằng mở rộng tiết diện 2.2. Tính toán bằng phương pháp phần tử hữu hạn 2.2.1. Cơ sở tính toán theo phương pháp phần tử hữu hạn 2.2.2 Cơ sở tính toán bằng phần mềm Abaqus 2.3. Bài toán tính toán gia cường 2.3.1 Cơ sở quy đổi 2.3.2 Kích thước quy đổi dầm thí nghiệm 2.4. Tính toán gia cường dầm thực tế bằng phương pháp truyền thống 2.4.1. Sức kháng uốn dầm chưa gia cường 2.4.2. Sức kháng uốn dầm gia cường bằng bản thép 2.4.3. Sức kháng uốn dầm gia cường khi mở rộng tiết diện 2.5. Tính toán dầm thí nghiệm bằng phương pháp truyền thống 2.5.1. Sức kháng uốn dầm thí nghiệm khi chưa gia cường 2.5.2. Sức kháng uốn dầm thí nghiệm khi gia cường bằng bản thép 2.5.3. Sức kháng uốn dầm thí nghiệm khi gia cường bằng mở rộng tiết diện 2.6. Tính toán dầm thí nghiệm bằng phần mềm Abaqus Kết luận chương 2 Chương 3: Bài toán thực nghiệm và đánh giá hiệu quả gia cường 3.1. Cở sở bài toán thực nghiệm 3.2. Quá trình tiến hành thí nghiệm 5 3.2.1. Kết cấu dầm thí nghiệm 3.2.2. Quá trình chế tạo dầm 3.2.3. Quá trình nén tạo nứt dầm 3.2.4. Quá trình gia cường 3.2.5. Quá trình gia tải nén phá hủy 3.3. Kết quả thực nghiệm 3.3.1. Ứng suất độ võng quá trình nén tạo nứt 3.3.2. Xét dầm đối chứng 3.3.3. Xét dầm gia cường dán bản thép 3.3.4. Xét dầm gia cường mở rộng tiết diện 3.4. So sánh đánh giá hiệu quả giữa thực nghiệm, lý thuyết và phần mềm Abaqus Kết luận Chương 3. 6 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC BIỆN PHÁP GIA CƯỜNG 1.1. Tổng quan về cầu BTCT thường Theo thống kê tháng 02/2017 của của Tổng cục đường bộ Việt Nam [1] thì: Tổng chiều dài cầu trên quốc lộ: 395.102 m; Tổng chiều dài cầu trên đường tỉnh: 216.625m. Trong đó trên toàn hệ thống quốc lộ hiện còn 738 cầu yếu. Đây là những cầu có khả năng chịu tải thấp hơn so với đường, khổ cầu nhỏ hơn khổ đường, cầu xây dựng đã lâu đã đến giai đoạn phải sửa chữa lớn, cầu hư hỏng nặng về kết cấu công trình có nguy cơ sụp đổ bất cứ lúc nào, phải cắm biển hạn chế tải trọng, hạn chế tốc độ. Riêng địa bàn tỉnh Trà Vinh Cầu trên các tuyến Quốc lộ có 51 cây cầu với tổng chiều dài là 2.612,5 m khổ cầu đảm bảo cho 02 làn xe lưu thông (chiều rộng phần xe chạy trung bình từ 7,0 m – 8,0 m), tải trọng từ 18 tấn đến 30 tấn riêng cầu Tầm Phương trên Quốc lộ 54 chỉ có 12 tấn; Cầu trên các tuyến đường tỉnh có 34 cây cầu với tổng chiều dài 2.440,628 m, khổ cầu đảm bảo cho 02 làn xe lưu thông (chiều rộng phần xe chạy trung bình từ 6,0 m – 7,0 m; riêng cầu Ba Động và cầu Kênh II trên Đường tỉnh 913 chỉ có 3,5 m), tải trọng từ 13 tấn đến 18 tấn; Cầu trên các tuyến đường huyện có 112 cây cầu với tổng chiều dài 3.931,65 m, những cầu được đầu tư từ những năm 2006 trở lại đây khổ cầu đảm bảo cho 02 làn xe lưu thông và những cầu được đầu tư trước năm 2006 chỉ đảm bảo cho 01 làn xe lưu thông với chiều rộng phần xe chạy từ 3,5 m – 4,0 m; về tải trọng có 40 cây cầu tải trọng từ 10 đến 18 tấn, 61 cây cầu tải trọng dưới 10 tấn[7]. Những cầu có khả năng chịu tải thấp hơn so với đường, khổ cầu nhỏ hơn khổ đường, cầu xây dựng từ lâu đã đến giai đoạn phải sửa chữa lớn, cầu hư hỏng nặng về kết cấu công trình có nguy cơ sụp đổ bất cứ lúc nào, phải cắm biển hạn chế tải trọng, hạn chế tốc độ và phải có công nhân gác cầu để điều tiết phương tiện giao thông. Vì vậy việc đầu tư sửa chữa để nâng cao khả năng chịu tải cho các cầu yếu trên các quốc lộ này là hết sức cần thiết. Do sự phát triển kinh tế của đất nước, hiện nay đa phần các cầu trên phải gánh một lượng vận tải lớn, nhiều khi vượt quá tải trọng cho phép. Mặt khác, những công trình cầu cũ ở nước ta còn chịu ảnh hưởng của môi trường, chiến tranh và công tác duy tu bảo dưỡng không được thường xuyên. Chính vì vậy nên có rất nhiều cầu cũ đang trong tình trạng hư hỏng và xuống cấp nghiêm trọng. Để tiếp tục tận dụng, khai thác và phát huy khả năng làm việc của công trình cần phải đánh giá, phân loại hiện trạng và nguyên nhân gây hư hỏng, từ đó nghiên cứu các giải pháp xử lý. Vì vậy việc đưa ra công nghệ vật liệu tiên tiến để sửa chữa hư hỏng cầu BTCT vừa đảm bảo điều kiện kỹ thuật và điều kiện kinh tế là một công việc hết sức có ý nghĩa cho ngành giao thông vận tại và giải quyết được bài toán cấp thiết của xã hội. 7 Một số nguyên nhân chính gây hư hỏng, xuống cấp cầu: - Quá trình phá hủy vật liệu do tác động của môi trường, bão, lũ… : Sự phá hủy lý hóa của bê tông, sự hư hỏng do hiện tượng ăn mòn cốt thép trong bê tông, sự hư hỏng về nứt do co ngót bê tông. - Những sai lầm do khảo sát, thiết kế sẽ kéo theo những hư hỏng có thể biểu hiện theo các dạng: những hư hỏng do tính toán kết cấu, những hư hỏng xảy ra lựa chọn giải pháp kết cấu không tốt. - Những hư hỏng liên quan đến thi công: Sản xuất bê tông, cốt thép trong bê tông, bố trí cốt thép trong ván khuôn và thi công căng kéo. - Những hư hỏng trong quá trình khai thác sử dụng: thường do sự thay đổi điều kiện sử dụng, điều kiện môi trường, thiếu duy tu bảo dưỡng thường xuyên... Những hư hỏng trong quá trình sử dụng phổ biến nhất là các hư hỏng về nứt. Các vết nứt này là do cấu kiện chịu quá tải, do lún không đều của công trình, do mỏi... 1.2. Các biện pháp gia cường của cầu cũ Có nhiều biện pháp gia cường được sử dụng hiện nay: - Gia cường mở rộng tiết diện. - Gia cường dán bản thép. - Gia cường dán tấm sợi composide. - Gia cường bằng bản tựa gối cứng. - Gia cường bằng căng cáp DUL. Trong đó có 2 biện pháp: gia cường bằng dán bản thép và mở rộng tiết diện vẫn được dùng nhiều và có hiệu quả tương đối cao. 1.2.1. Gia cường bằng tăng cường tiết diện a) Phạm vi áp dụng Biện pháp gia cường bằng tăng cường tiết diện được áp dụng phổ biến ở các trường hợp như: - Môi trường nước mặn, có nhiều chất ăn mòn. - Tăng chiều cao dầm không ảnh hưởng đến khoảng thông thuyền hay thông xe. b) Nguyên tắc cấu tạo Căn cứ vào từng trường hợp cụ thể, việc gia cường cầu cũ bằng phương pháp tăng tiết diện có thể thực hiện theo nhiều cách: - Tăng cường tiết diện Bê tông. - Tăng cường tiết diện cốt thép. - Tăng cường tiết diện BTCT kết hợp tăng cường tiết diện cốt thép. 8 Hình 1.1: Gia cường bằng tăng cường tiết diện. Trình tự tăng cường cầu theo phương pháp mở rộng tiết diện như sau: - Đục tạo nhám lớp bê tông ở khu vực tiếp giáp với lớp bê tông mới khi lớp bê tông cũ còn đạt chất lượng thì chỉ cần tạo nhám bề mặt, còn nếu lớp bê tông củ không đạt chất lượng thì đục bỏ có thể lộ cốt thép chủ và cốt thép đai cũ. - Lắp đặt cốt thép chủ và cốt đai cần tăng cường. Đai mới có thể hàn hoặc gia công liên kết với cốt đai cũ sẽ tăng khả năng chịu lực. - Sau khi lắp đặt cốt thép chủ và cốt thép đai mới, tiến hành lắp đặt ván khuôn, vệ sinh. - Đổ bê tông: ta có thể đổ bê tông bằng thủ công hoặc bơm bê tông, để tăng lớp bám dính giữa bê tông cũ và bê tông mới ta có thể quét nước xi măng hoặc lớp keo (ví dụ như keo epoxy). Ở đây sự dính kết giữa bê tông cũ và bê tông mới là vấn đề rất quan trọng, nếu thi công không tốt thì hằng năm do tuổi bê tông khác nhau, độ dính kết sẽ giảm dần đi. Độ dính kết giữa bê tông cũ và bê tông mới phụ thuộc rất nhiều yếu tố như điều kiện đổ bê tông, phương pháp đầm và bảo dưỡng, cách thức gia công mặt tiếp xúc, thành phần hạt cốt liệu, liều lượng xi măng… - Bảo dưởng bê tông sau khi đổ.