Tài liệu Nghiên cứu lựa chọn giải pháp gia cường kết cấu nhịp cầu trà khúc quảng ngãi

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA LÊ VŨ HIẾU NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN GIẢI PHÁP GIA CƯỜNG KẾT CẤU NHỊP CẦU TRÀ KHÚC QUẢNG NGÃI 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 LÊ VŨ HIẾU NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN GIẢI PHÁP GIA CƯỜNG KẾT CẤU NHỊP CẦU TRÀ KHÚC QUẢNG NGÃI 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 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 Lê Vũ Hiếu MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC TÓM TẮT LUẬN VĂN DANH MỤC CÁC TỪ NGỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH MỞ ĐẦU .............................................................................................................. 1 1. Tính cấp thiết của đề tài ............................................................................ 1 2. Mục tiêu nghiên cứu.................................................................................. 1 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu............................................................. 2 4. Phương pháp nghiên cứu........................................................................... 2 5. Bố cục đề tài .............................................................................................. 2 Chương 1 - TỔNG QUAN VỀ CÁC GIẢI PHÁP GIA CƯỜNG CẦU THÉP .. 3 1.1. Cơ sở gia cường công trình cầu ..................................................................... 3 1.1.1. Công tác thu thập số liệu ..................................................................... 3 1.1.2. Điều tra đánh giá hiện trạng và hư hỏng của các công trình cầu ........ 4 1.1.3. Kiểm toán cầu ..................................................................................... 4 1.1.4. Xác định bộ phận cần tăng cường và chọn giải pháp tăng cường ...... 5 1.2. Các biện pháp gia cường cầu ......................................................................... 5 1.2.1. Biện pháp làm giảm tỉnh tải ................................................................ 5 1.2.2. Tăng cường bằng thanh căng hoặc tăng đơ ........................................ 6 1.2.3. Tăng cường bằng trụ tạm .................................................................... 7 1.2.4. Giải pháp bổ sung kết cấu ................................................................... 9 1.2.5. Giải pháp căng cáp dự ứng lực ngoài ............................................... 10 1.3. Phân tích đề xuất biện pháp gia cường ........................................................ 14 1.4. Kết luận chương ........................................................................................... 15 Chương 2 - HIỆN TRẠNG VÀ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN GIA CƯỜNG CẦU TRÀ KHÚC .............................................................................................. 16 2.1. Hiện trạng cầu Trà Khúc .............................................................................. 16 2.1.1. Kết cấu phần trên .............................................................................. 17 2.1.2. Kết cấu phần dưới ............................................................................. 18 2.1.3. Phân tích đánh giá hiện trạng hư hỏng, sự cần thiết phải gia cường 20 2.2. Lý thuyết tính toán gia cường cầu thép bằng cáp dự ứng lực ngoài ............ 22 2.2.1. Giả thiết tính toán .............................................................................. 22 2.2.2. Tính toán đối với cáp DƯL ngoài bố trí tăng cường dọc cầu ........... 22 2.2.3. Kiểm toán mặt cắt theo trạng thái giới hạn cường độ I .................... 27 2.2.4. Kiểm toán mặt cắt theo trạng thái giới hạn sử dụng II ..................... 29 2.3. Kết luận chương ........................................................................................... 29 Chương 3 - TÍNH TOÁN GIA CƯỜNG KẾT CẤU NHỊP CẦU TRÀ KHÚC BẰNG HỆ CÁP DỰ ỨNG LỰC CĂNG NGOÀI .............................. 30 3.1. Số liệu cơ bản ............................................................................................... 30 3.1.1. Vật liệu .............................................................................................. 30 3.1.2. Mặt cắt ngang .................................................................................... 30 3.2. Tính đặc trưng hình học ............................................................................... 31 3.3. Tính hệ số phân bố ngang ............................................................................ 32 3.3.1. Xác định tham số độ cứng dọc .......................................................... 32 3.3.2. Xác định hệ số phân bố ngang của momen của dầm trong .............. 33 3.3.3. Xác định hệ số phân bố lực cắt của dầm trong ................................. 33 3.3.4. Hệ số phân bố của hoạt tải đối với trường hợp có tải trọng người đi bộ ............................................................................................................. 33 3.3.5. Xác định hệ số phân bố ngang của momen của dầm biên ................ 33 3.4. Tính toán hiệu ứng tải trọng ......................................................................... 35 3.4.1. Sơ đồ tính .......................................................................................... 35 3.4.2. Tải trọng tác dụng lên dầm chủ......................................................... 35 3.4.3. Tính nội lực do tĩnh tải ...................................................................... 37 3.4.4. Tính toán nội lực do hoạt tải ............................................................. 39 3.4.5. Tổng nội lực do hoạt tải và tĩnh tải ................................................... 41 3.5. Sức kháng của tiết diện ................................................................................ 42 3.5.1. Momen chảy ...................................................................................... 43 3.5.2. Xác định trục trung hòa dẻo của tiết diện liên hợp ........................... 44 3.5.3. Mô men dẻo của tiết diện không liên hợp......................................... 44 3.6. Kiểm toán dầm chủ ...................................................................................... 45 3.6.1. Kiểm toán dầm chủ theo TTGHCĐ1 ................................................ 45 3.6.2. Kiểm toán dầm chủ theo TTGHSD .................................................. 46 3.7. Thiết kế gia cường dầm chủ bằng cáp dự ứng lực ngoài ............................. 46 3.7.1. Tính toán bố trí cáp dự ứng lực........................................................ 46 3.7.2. Kiểm tra sức kháng uốn của dầm ở TTGH CĐ sau khi gia cường ... 49 3.7.3. Kiểm toán dầm chủ theo TTGHSD II sau khi gia cường ................. 49 3.8. Kết Luận chương .......................................................................................... 50 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .......................................................................... 51 TÀI LIỆU THAM KHẢO QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (Bản sao) NGHIÊN CỨU LỰA CHỌN GIẢI PHÁP GIA CƯỜNG KẾT CẤU NHỊP CẦU TRÀ KHÚC QUẢNG NGÃI Học viên: Lê Vũ Hiếu Chuyên nghành: Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông Khóa: K32 Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Đà Nẵng Tóm tắt: Ở nước ta hiện tại số lượng cầu 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 như không đáp ứng được nhu cầu giao thông với tải trọng yêu cầu cao hơn. Do đó, cần phải có các biện pháp gia cường để nâng cao năng lực chịu tải nhằm duy trì khả năng phục vụ của chúng. Trong đó có cầu Trà Khúc Quảng Ngãi hiện đã xuống cấp và không đáp ứng được 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 cường bằng hệ cáp dự ứng lực căng ngoài để tính toán gia cường kết cấu nhịp cầu Trà Khúc Quảng Ngãi. Theo kết quả tính toán, tác giả đã xác định được cường độ còn thiếu và gia cường thêm hai tao cáp tăng cường. Sau khi gia cường kết cấu đảm bảo khả năng chịu lực theo trạng thái giới hạn cường độ 1 và trạng thái giới hạn sử dụng. Từ khóa: Gia cường cầu; cáp dự ứng lực ngoài; sửa chữa cầu; kiểm định cầu. RESEARCH IN STRENGTHENING STRUCTURE OF TRA KHUC QUANG NGAI BRIDGE WITH GENERATION EXTERNAL POST-TENSIONING CABLE Abstract: In Vietnam, the number of old steel 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 Tra Khuc Quang Ngai 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 Tra Khuc Quang Ngai 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. DANH MỤC CÁC TỪ NGỮ VIẾT TẮT BT BTCT CĐC ĐBVN DC DƯL DW LL PL TCN TCVN TTGH CĐ TTGHSD : Bê tông : Bê tông cốt thép : Cường độ cao : Đường bộ Việt Nam : Tĩnh tải giai đoạn 1 : Dự ứng lực : Tĩnh tải giai đoạn 2 : Hoạt tải xe HL93 : Hoạt tải người đi bộ : Tiêu chuẩn ngành : Tiêu chuẩn Việt Nam : Trạng thái giới hạn cường độ : Trạng thái giới hạn sử dụng DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu Tên bảng bảng Trang 2.1. Bảng tính các trị số tính toán theo DƯL căng ngoài 25 2.2. Tỷ số ứng suất cắt mất ổn định với cường độ cắt chảy 28 3.1. Kích thước tiết diện dầm chủ tính toán 31 3.2. Xác định đặc trưng hình học 32 3.3. Xác định tham số độ cứng dọc 32 3.4. Hệ số phân bố ngang cho dầm 34 3.5. Tĩnh tải các lớp phủ mặt cầu 36 3.6. Tĩnh tải tác dụng lên dầm biên 37 3.7. Tổng hợp các tải trọng tác dụng lên dầm. 37 3.8. Mô men không có hệ số của dầm biên do tĩnh tải gây ra (kN.m) 38 3.9. Lực cắt không có hệ số của dầm trong do tĩnh tải gây ra (kN) 39 3.10. Giá trị tung độ đường ảnh hưởng mô men 39 3.11. Giá trị momen không có hệ số do hoạt tải gây ra (kN.m) 40 3.12. Tính tung độ đường ảnh hưởng lực cắt (m) 41 3.13. Giá trị lực cắt không có hệ số do hoạt tải gây ra (kN) 41 3.14. Tổng hợp nội lực trong dầm chủ 42 3.15. Tính toán mô men chảy của tiết diện không liên hợp 43 3.14. Lực dẻo của tiết diện không liên hợp 45 3.15. Mô men dẻo của tiết diện không liên hợp 45 3.16. Bảng kiểm tra sức kháng uốn trên dầm 46 3.17. Bảng kiểm tra ứng suất trong dầm chủ 46 3.18. Mô men do căng cáp DƯL 48 3.19. Mô men trước và sau gia cường – TTGHCĐ1 48 Số hiệu bảng Tên bảng Trang 3.20. Mô men trước và sau gia cường – TTGHSD II 49 3.21. Bảng kiểm tra sức kháng uốn trên dầm sau khi gia cường 49 3.22. Bảng kiểm tra ứng suất trong dầm chủ sau khi gia cường 50 DANH MỤC CÁC HÌNH Số hiệu hình 1.1. 1.2. 1.3. 1.4. 1.5. 1.6. 1.7. 1.8. 1.9. 1.10. 1.11. 1.12. 1.13. 1.14. 1.15. 1.16. 2.1. 2.2. 2.3. 2.4. 2.5. 2.6. 2.7. 2.8. 2.9. 2.10. 2.11. 3.1. Tên hình Trang Tăng cường cầu dầm thép bằng tăng đơ Tăng cường cầu dầm thép bằng thanh căng Tăng cường trụ tạm trên cầu dầm đơn giản Biểu đồ Momen trên dầm trước khi thêm trụ tạm Biểu đồ Momen trên dầm trước sau khi thêm trụ tạm Táp thêm tiết diện dầm thép Tăng cường dầm cầu thép bằng cáp DUL ngoài tuyến cáp thẳng Tăng cường dầm cầu thép bằng DUL ngoài tuyến cáp gẫy khúc Trình tự thi công Sự thay đổi của biểu đồ M sau khi căng cáp dự ứng lực Biểu đồ Momen trên dầm khi chưa căng cáp Biểu đồ Momen trên dầm do lực căng cáp gây ra Biểu đồ Momen trên dầm sau khi căng cáp Biểu đồ Momen trên dầm khi chưa căng cáp Biểu đồ Momen trên dầm do lực căng cáp gây ra Biểu đồ Momen trên dầm sau khi căng cáp Cầu Trà Khúc - Quảng Ngãi Mặt cắt ngang cầu Trà Khúc Tiết diện dầm chủ cầu Trà Khúc Hình ảnh dầm chủ, các hệ liên kết Cấu tạo Mố cầu Trà Khúc Cấu tạo Trụ cầu Trà Khúc Dầm thép và hệ liên kết bị gỉ Hư hỏng khe co giãn và lớp phủ mặt cầu Sơ đồ bố trí cáp DƯL căng ngoài cho dầm I thép Sơ đồ tính mô men do cáp DƯL căng ngoài. Biểu đồ mô men uốn do cáp DƯL căng ngoài gây ra cho dầm Mặt cắt ngang cầu 6 7 8 9 9 10 11 12 12 13 13 13 14 14 14 14 16 17 18 18 19 19 20 21 23 23 24 30 Số hiệu hình 3.2 3.3. 3.4. 3.5. 3.6. 3.7. 3.8. 3.9. 3.10. 3.11. 3.12. 3.13. 3.14. 3.15. 3.16. Tên hình Trang Tiết diện dầm chủ quy đổi Xác định HSPPN thep phương pháp đòn bẩy Sơ đồ tính nội lực dầm chủ. Kích thước lan can tay vịn Xếp tĩnh tải lên đường ảnh hưởng momen tại mặt cắt k Xếp tĩnh tải lên đường ảnh hưởng lực cắt tại mặt cắt k Đường ảnh hưởng momen tại tiết diện bất kỳ Đường ảnh hưởng lực cắt tại tiết diện bất kỳ Biểu đồ bao mô men theo THGHCĐ1 Biểu đồ bao mô men theo THGHSD II Lực dẻo đối với trục trung hòa cầu Trà Khúc Sơ đồ bố trí cáp DUL ngoài Biểu đồ mô men do lực căng cáp ngoài gây ra Biểu đồ bao mô men trong dầm chủ sau khi căng cáp dự ứng lực – TTGHCĐ1 Biểu đồ bao mô men trong dầm chủ sau khi căng cáp dự ứng lực – TTGHSD II 31 34 35 35 37 38 39 41 42 42 44 47 48 48 49 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Hiện nay ở nước ta còn sử dụng và khai thác rất nhiều cầu cũ, cùng với việc những cây cầu mới đã và đang xây dựng, những chiếc cầu cũ vẫn đang được sử dụng song song. Việc cầu cũ xuống cấp và còn nhiều hạn chế trong việc sử dụng và khai thác, có thể chỉ ra những nguyên nhân như sau: Công trình được xây dựng từ rất lâu (trước 1975), quy mô nhỏ, cường độ vận tải thấp, chiến tranh tàn phá, công tác duy tu, bảo dưỡng, vận hành khai thác chưa được chú trọng. Vì vậy, trong khi nhu cầu vận tải trên toàn quốc ngày càng tăng nhanh, tải trọng của các phương tiện giao 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. Trước thực tiễn đó, việc nghiên cứu áp dụng các biện pháp gia cường kết cấu nhịp nhằm nâng cao khả năng chịu tải của cầu cũ, trong đó là gia cường cầu dầm thép ở nước ta hiện nay là rất cần thiết bởi số lượng cầu dầm thép cũ còn được sử dụng khá nhiều. 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… Liên hệ tại địa phương, Cầu Trà Khúc nằm tại lý trình Km1055+464 (QL1A) được xây dựng từ năm 1963, có chiều dài 643m, cầu gồm 20 nhịp (mỗi nhịp dài 31,60). Cầu đóng vai trò quan trọng trong việc giao thông thông suốt trên địa bàn thành phố Quảng Ngãi. CầuTrà Khúc đóng vai trò quan trọng, là cửa ngõ phía Bắc đi vào trung tâm thành phố Quảng Ngãi, tạo giao thông thuận lợi nối thành phố Quảng Ngãi với các huyện phía Bắc của tỉnh và ngược lại. Qua thời gian sử dụng, với mật độ và lưu lượng xe tăng nhanh, các đợt mưa lũ kéo dài trong những năm gần đây làm cho cầu ngày càng xuống cấp. Những năm vừa qua, bằng các nguồn vốn khác nhau, nhà nước đã đầu tư sửa chữa nhỏ các phần hạ bộ và một số kết cấu trên cầu nhưng vì nguồn vốn hạn chế nên chưa có điều kiện tu sửa toàn bộ kết cấu nhịp cầu. Do đó, việc “Nghiên cứu lựa chọn giải pháp gia cường kết cấu nhịp cầu Trà Khúc Quảng Ngãi” là hết sức cần thiết, góp phần tạo giao thông thuận lợi cho người và phương tiện qua lại trên cầu. 2. Mục tiêu nghiên cứu Nghiên cứu gia cường cầu dầm thép nhằm nâng cao khả năng khai thác của cầu hiện hữu với tải trong lớn hơn. 2 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu sử dụng hệ dự ứng lực để tăng cường khả năng chịu lực cho kết cấu dầm thép 4. Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu được đề xuất là phương pháp lý thuyết, ứng dụng tính toán nội lực trên cầu dưới tác dụng của tải trọng tương lai lớn hơn, so sánh với biểu đồ bao vật liệu. Từ đó ta sẽ tính toán gia cường thêm để cầu đủ khả năng chịu lực. 5. Bố cục đề tài Luận văn gồm những nội dung chính như sau: Mở đầu Chương 1: Tổng quan về các gıảı pháp gıa cường cầu thép Chương 2: Hiện trạng và lý thuyết tính toán gia cường kế cấu nhịp cầu Trà Khúc Chương 3: Tính toán gia cường kết cấu nhịp cầu Trà Khúc bằng hệ cáp dự ứng lực 3 Chương 1 - TỔNG QUAN VỀ CÁC GIẢI PHÁP GIA CƯỜNG CẦU THÉP Hiện nay trên thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng, có rất nhiều công trình cầu thép cũ đã và đang khai thác. Những công trình cầu cũ này thường được thiết kế với tải trọng thấp hơn so với khai thác hiện tại. Thêm nữa, qua nhiều năm khai thác dưới ảnh tác động bởi các yếu tố bên ngoài như tình trạng chạy vượt tải, gió bão, động đất, ăn mòn của môi trường... các công trình này đã có nhiều hư hỏng, xuống cấp dẫn đến suy giảm khả năng chịu tải. Vì vậy việc nâng cao sức chịu tải của các công trình cầu thép cũ này là rất cần thiết. Việc gia cường cho phép khắc phục những hư hỏng, những khuyết tật làm giảm khả năng chịu lực của kết cấu, giúp cho công trình khôi phục lại khả năng chịu tải ban đầu, hoặc chịu tải lớn hơn so với tải trọng thiết kế, tải trọng khai thác hiện hành. 1.1. Cơ sở gia cường công trình cầu [8] Để đề xuất được các giải pháp sửa chữa và tăng cường cầu cần thực hiện các bước sau. Bước 1: Điều tra thu thập số liệu; Bước 2: Phân loại hư hỏng; Bước 3: Kiểm tra chi tiết hư hỏng; Bước 4: Đánh giá nguyên nhân hư hỏng; Bước 5: Đề xuất các giải pháp sửa chữa/ gia cường. 1.1.1. Công tác thu thập số liệu [8] Để thiết kế tăng cường cầu việc thu thập hồ sơ tài liệu cũ của công trình có ý nghĩa rất quan trọng, vì nếu có đầy đủ tải liệu công tác điều tra thiết kế sẽ được tiến hành nhanh chống và chính xác hơn, chẳng hạn nếu hồ sơ thiết kế đẩy đủ sẽ biết được năm xây dựng, số lượng chủng loại cốt thép, cách bố trí cốt thép, loại móng, loại cọc, cách bố trí cọc, chiều sau của cọc…Những số liệu này điều tra sẽ rất khó khăn và độ chính xác hàn chế đặc biệt những bộ phận công trình ẩn giấu. Các hồ sơ cần thiết và có thể thu thập là: - Hồ sơ thiết kế công trình; - Hồ sơ hoàn công công trình, đây là tài liệu quan trọng vì nó thể hiện đầy đủ nhất hiện trạng cấu tạo của công trình; - Hồ sơ sửa chữa tăng cường trước đó (nếu có); - Hồ sơ kiểm tra, kiểm định công trình; Nhờ có những tài liệu trên chúng ta có thể đánh giá: - Cầu tạo chi tiết các bộ phần của cầu 4 - Hiện trang công trình, các hư hỏng hiện có giúp cho việc khảo sát được nhanh chóng và chính xác. Đặc biệt là hồ sơ nhận xét của các đợt sửa chữa gia cường trước. 1.1.2. Điều tra đánh giá hiện trạng và hư hỏng của các công trình cầu [8] Trường hợp các cầu có đầy đủ hồ sơ thiết kế, hồ sơ hoàn công thi công việc khảo sát đánh giá hiện trạng cầu sẽ đơn giản hơn rất nhiều, khi đó có công việc khảo sát chủ yếu là để xác định các hư hỏng trên cầu. Từ đó xác định được thiết diện thực của kết cấu tính toán cường độ và ổn định. Để xác định các đặc trưng cơ học của vật liệu như cường độ tính toán, môđun đàn hồi. Trường hợp cầu không có hồ sơ thì tốt nhất nên tiến hành kiểm định để xác định được khả năng chịu tải của cầu. Việc kiểm định cầu được tiến hành như sau: - Đo đạc kính thước các bộ phận để vẽ lại hồ sơ công trình. Công việc này cần được tiến hành một cách chi tiết và phải tiến hành trên tất cả các bộ phận kết cấu, đặc biệt đối với cầu giản thép vì khi thiết kế những thanh đối xứng chúng ta thiết kế cùng loại tiết diện. Tuy nhiên, khi hư hỏng chúng lại không hư hỏng giống nhau. - Điều tra xác định mực nước cao nhất, mực mước thấp nhất và mực nước thi công. - Điều tra các hư hỏng, đánh giá nguyên nhân, cần phải đo đạc chi tiết hư hỏng để từ đó tính ra khối lượng cần sửa chữa, thay thế tăng cường. - Tiến hành làm các thí nghiệm để xác định đặc trưng cơ học của vật liệu. Đối với việc đánh giá khả năng làm việc của công trình cũ, người ta thường áp dụng phương pháp không phá hoại để xác định khả năng chịu lực của công trình. - Đo đạc ứng suất, độ võng, dao động để làm cơ sở xác định khả năng chịu tải của công trình. Trường hợp công trình đã được kiểm định trước đó không lâu thì có thể dùng kết quả kiểm định đó để đánh giá công trình. 1.1.3. Kiểm toán cầu [1] Trên cơ sở các tài liệu đã thu thập và kết quả khảo sát, đo đạc tại hiện trường tiến hành kiểm toán cấu kiện, nhịp, mố trụ công trình theo tiêu chuẩn hiện hành. Ở nước ta, những tiêu chuẩn kiểm định đang được sử dụng (tiêu chuẩn kiểm định cầu trên đường ô tô 22TCN 243-98, tiêu chuẩn kỹ thuật kiểm định cầu đường sát 22TCN 258-99) đều giới thiệu những công thức để tính ứng suất, độ võng…Tuy nhiên, cũng có thể kiểm toán theo những công thức có trong tiêu chuẩn thiết kế (22TCN 18-79 hoặc 22TCN 272-05) với các đặc trưng hình học và cơ học thực của cầu. Kết quả của kiểm toán là xác định được khả năng chịu lực của bộ phận cầu. Khi không thử tải cầu thì kiểm toán là phương pháp duy nhất để đánh giá khả năng chịu tải công trình cầu. 5 1.1.4. Xác định bộ phận cần tăng cường và chọn giải pháp tăng cường [8] Từ những kết quả của kiểm toán và thử nghiệm cầu xác định được khả năng chịu lực của các bộ phận kết cấu cầu. Từ điều kiện tải trọng dự kiến khai thác sau khi tăng cường kết cấu xác định được nội lực, biến dạng trong bộ phận cầu. Bộ phận kết cấu nào có khả năng chịu tải (nội lực, chuyển vị… lớn nhất có thể chịu đựng được) lớn hơn nội lực, chuyển vị do tải trọng dự kiến khai thác sinh ra thì không phải là tăng cường. Đối với cầu đường sắt khi tính đẳng cấp thì bộ phận nào có đẳng cấp lớn hơn đẳng cấp của tải trọng (hoặc đẳng cấp của tải trọng dự kiến) thì không phải tăng cường, ngược lại khi đẳng cấp của bộ phận kết cấu nhỏ hơn đẳng cấp của tải trọng thì cần thiết phải tăng cường. Sau khi đã xác định được các bộ phận cần tăng cường người thiết kế cần phải lựa chọn tìm giải pháp tăng cường. 1.2. Các biện pháp gia cường cầu [8] Đối với cầu thép có rất nhiều phương pháp gia cường và áp dụng cho những tình huống khác nhau tùy trạng thái thực tế của cầu và mục đích của việc tăng cường, khả năng vốn đầu tư và công nghệ sẵn có. Các phương pháp tăng cường bao gồm: - Tăng cường mặt cắt ngang các bộ phận kết hợp cùng chịu lực với các bộ phận cũ; - Làm thêm các bộ phận mới trong hệ thống kết cấu, ví dụ thêm thanh dàn, thêm các sườn tăng cường, thanh liên kết; - Thay đổi sơ đồ tĩnh học của kết cấu dàn hay dầm bằng cách đặt hệ tăng đơ dưới đáy dầm, làm thêm một biên dàn mới, chuyển kết cấu nhịp giản đơn thành kết cấu nhịp liên tục; bổ sung trụ tạm; - Biến đổi kết cấu nhịp thép thành kết cấu liên hợp bản BTCT; - Tạo dự ứng lực ngoài bổ sung cho kết cấu nhịp thép… Dưới đây là chi tiết một số phương pháp gia cường cầu thép. 1.2.1. Biện pháp làm giảm tĩnh tải [8] Biện pháp này thường áp dụng cho cầu dầm thép bản kê bê tông cốt thép hoặc cầu giàn thép có bản bê tông cốt thép kê trên các dầm dọc. Giải pháp này chủ yếu thay thế bản mặt cầu BTCT bằng gỗ hoặc bằng thép. Khi đó, một phần khả năng chịu tĩnh tải của dầm chuyển sang chịu hoạt tải. Tuy nhiên, hiện nay giải pháp này hầu như không được áp dụng vì đảm bảo giao thông khi quá trình thi công và hiệu quả gia cường không cao. Khi thay mặt cầu bản bê tông cốt thép (thường dày 20cm và trọng lượng 500daN/m2) bằng gỗ hoặc théptĩnh tải sẽ giảm từ 200 đến 300daN/m2, và khả năng chịu tĩnh tải của cầu chuyển sang chịu hoạt tải tức là đã làm tăng khả năng chịu tải của cầu. Trình tự tiến hành theo các bước như sau: 6 - Tháo dỡ lớp phủ mặt cầu và bản bê tông cốt thép cũ; - Sửa chữa các hư hỏng trên cầu cũ (nếu có); - Lắp bản cầu mới, làm lại các lớp phủ mặt cầu; - Sơn bảo vệ kết cấu thép; - Hoàn thiện. 1.2.2. Tăng cường bằng thanh căng hoặc tăng đơ [8] Về nguyên lý làm việc, giải pháp này tương tự như giải pháp căng cáp DƯL ngoài. Nó có ưu điểm lắp đặt, tháo dỡ dễ dàng, vật liệu dễ tìm kiếm, giá thành thấp và thời gian thi công ngắn; tuy nhiên, tính thẩm mỹ không cao và đòi hỏi duy tu bảo dưỡng trong suốt quá trình sử dụng. Người ta lắp thêm vào kết cấu nhịp một hệ thống gồm một các thanh chống, thanh căng và tăng đơ để khi xiết tăng đơ hệ thống sẽ tạo ra trên kết cấu nhịp một Momen uốn ngược dấu với Momen do tải trong gây ra, nhờ vậy mà tăng cường khả năng chịu lực của kết cấu. Biện pháp này thích hợp cho cả cầu dầm thép bản kê và cả giàn thép, với cầu dầm thép liên hợp bản bê tông cốt thép phải tính toán sao cho Momen uốn sinh ra khi xiết tăng đơ không làm nứt bê tông bản mặt cầu. Biện pháp này thường áp dụng khi yêu cầu thông thuyền của công trình còn cho phép, vì khi xiết tăng đơ và thanh chống sẽ làm ảnh hưởng khổ thông thuyển. Ngoài ra, nó còn thích hợp khi chỉ cần tăng cường trong khoảng thời gian ngắn vì việc tháo lắp cả hệ thống thanh chống, thanh căng và tăng đơ không mất nhiều thời gian, (hay áp dụng tăng cường công trình cho các loại tải trọng lớn hơn tải trọng thiết kế đi qua hoặc vận chuyển các thiết bị chuyên dụng đi qua công trình). Hình 1.1. Tăng cường cầu dầm thép bằng tăng đơ 7 Hình 1.2. Tăng cường cầu dầm thép bằng thanh căng Khi tăng cường bằng hệ thống thanh căng, thanh chống và tăng đơ có thể xẩy ra các thường hợp sau: -Nếu giữ nguyên hiện trạng cầu rồi lắp đạt hệ thống tăng cường, sau đó chỉ xiết tăng đơ để không làm giảm độ võng tĩnh hoặc không làm thay đổi độ võng sẵn có thì hệ thống chỉ tham gia chịu hoạt tải. Trường hợp xiết tăng đơ làm giảm độ võng tĩnh hoặc tăng độ vồng thì hệ thống sẽ chịu cả tĩnh và hoạt tải; - Nếu muốn cho hệ có dự ứng lực có thể tháo dỡ hệ mặt cầu, lắp hệ thanh chống, thanh căng và tăng đơ làm cho thanh căng chịu lực và thanh chống sẽ đẩy kết cấu nhịp vồng lên, tiến hành hàn bản táp tại đáy dầm. Tháo dở hệ thanh chống, thanh căng và tăng đơ, lắp đặt hệ mặt cầu như vậy ta đã có kết cấu nhịp được tăng cường. Nếu để nguyên cả hệ trong trường hợp sông không cần thông thuyền thì hiệu quả tăng cường sẽ cao hơn. - Thanh chống phải có đủ tiết diện để đảm bảo điều kiện về cường độ và ổn định. Thanh căng chỉ cần tính đảm bảo cường độ, thanh căng có thể làm bằng thép tròn, thép hình hoặc bó cáp cường độ cao. Tăng đơ cần sử dụng loại có khả năng chịu lực tương ứng với lực kéo lớn nhất có thể xuất hiện ở thanh căng. - Đối với việc tăng cường hệ dầm hay giàn mà hệ thống thanh chống, thanh căng và tăng đơ không phải tháo dở sau khi tăng cường. Như vậy, sẽ làm tăng bậc siêu tĩnh của kết cấu nhịp. Người thiết kế cần lưu ý vấn đề này để tránh hiện tượng quá tải hoặc mất ổn định của một số thanh do việc tăng cường làm thay đổi sơ đồ kết cấu công trình cầu; - Khi thanh căng làm bằng thanh và không bố trí tăng đơ thì rất khó thực hiện cho hệ tăng cường tham gia chịu tĩnh tải. Trừ trường hợp trước khi thi công hệ tăng cường chúng ta tháo dỡ hệ mặt cầu sau đó thi công hệ tăng cường rồi lắp lại hệ mặt cầu. 1.2.3. Tăng cường bằng trụ tạm [8] Giải pháp này dễ thi công và giảm đáng kể hiệu ứng do hoạt tải tác dụng. Tuy nhiên, giải pháp này làm giảm khẩu độ thoát nước, giảm nhịp thông thuyền và đặc 8 biệt khó khăn khi cầu có lưu vực sâu, mực nước lớn hay địa chất yếu. Một điều cần nói thêm là hiện nay các cầu dầm thép chủ yếu là cầu dầm thép liên hợp nhịp giản đơn nên việc áp dụng trụ tạm có thể làm xuất hiện mô men âm không mong muốn trong bản mặt cầu. Giàn hoặc dầm thép sơ đồ đơn giản hay siêu tĩnh khi có thêm trụ tạm sẽ làm kết cấu trở thành siêu tĩnh hoặc thêm bậc siêu tĩnh. Tại mặt cắt đặt gối tạm Momen hoặc các thanh trong giàn làm việc đổi dấu (do tác dụng của hoạt tải). Vì vậy cần tiến hành kiểm toán mặt cắt hoặc tiết diện thanh, sau đó lập kế hoạch tăng cường mặt cắt hoặc tiết diên thanh. Biện pháp tăng cường kết cấu nhịp bằng trụ tạm có thể tiến hành theo trình tự sau: - Thi công trụ tạm tại các vị trí đã thiết kế; - Lắp đặt gối trên trụ tạm; Khi lắp đặt gối có thể xảy ra ba trường hợp như sau: + Trên trụ tạm không kích dầm hoặc giàn lên mà chỉ chèn chặt gối, khi đó trụ tạm chỉ chịu hoạt tải mà không chịu tĩnh tải. Tính toán nổi lực do tĩnh tải sinh ra vận dụng sơ đồ kết cấu như tăng cường. Tính toán nổi lực do tĩnh tải sinh ra dụng sơ đồ kết cấu như tăng cường. Thường gối đặt trên trụ tạm là gối di động nên kết cấu mới có thêm một bậc siêu tĩnh; + Trên trụ tạm tiến hành kích dầm hoặc giàn lên mới lắp gối, khi trụ tạm có tham gia chịu tĩnh tải, phần tĩnh tải mà trụ tạm chịu phụ thuộc vào chiều cao kích dầm lên. Tính toán nổi lực do hoạt tải sinh ra tương tự ở trên, dùng sơ đồ kết cấu đã có thêm gối trên trụ tạm; + Trên trụ tạm đặt gối còn hở so với đáy dầm một khoảng ∆, tất nhiên ∆ phải nhỏ hơn độ võng ở vị trí đặt gối do hoạt tải khai thác sinh ra. Khi đó trụ tạm không chịu hoàn toàn tĩnh tải mà chỉ chịu một phần hoạt tải. Trụ tạm bắt đầu chịu hoạt tải khi độ võng do hoạt tải sinh ra (tính theo sơ độ chưa có trụ tạm) ở vị trí gối tạm bằng khoảng cách ∆. Hình 1.3. Tăng cường trụ tạm trên cầu dầm đơn giản