Nghiên cứu ảnh hưởng của hư hỏng cáp dự ứng lực căng trong do sự giảm yếu tiết diện trong quá trình khai thác đến khả năng chịu tải của cầu dầm hộp bê tông cốt thép thi công theo công nghệ đúc hẫng

ĐẠI HỌC QUỔC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN THỊ VÂN

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA HƯ HỎNG CÁP DỰ
ỨNG LỰC CĂNG TRONG DO SỰ GIẢM YẾU TIẾT DIỆN
TRONG QUÁ TRÌNH KHAI THÁC ĐẾN KHẢ NĂNG CHỊU
TẢI CỦA CẦU DẦM HỘP BÊ TÔNG CỐT THÉP THI CÔNG
THEO CÔNG NGHỆ ĐÚC HẪNG

Chuyên ngành: Xây dựng cầu hầm
Mã số ngành: 60.58.25

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP.HỒ CHÍ MINH, THÁNG 08 NẰM 2017


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -ĐHQG -HCM
Cán bộ hưống dẫn khoa học: TS. NGUYỄN DANH THẲNG

TS. HỒ THU HIỀN

Cán bộ chấm nhận xét 1: TS. LÊ BÁ KHÁNH

Cán bộ chấm nhận xét 2: TS. MAI Lựu

Luận vẫn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp.
HCM ngày 27 tháng 08 năm 2017

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. Chủ tịch hội đồng: PGS.TS LÊ THỊ BÍCH THỦY
2. Thư ký: TS. NGUYỄN CẢNH TUẤN
3 Phản biện 1: TS. LÊ BÁ KHÁNH
4. Phản biện 2: TS. MAI Lựu
5. ủy viên: TS. TRẦN NGUYỄN HỒNG HÙNG
CHỦ TỊCH HỘI ĐỊNG TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

PGS.TS LÊ THỊ BÍCH THỦY

PGS.TS NGUYỄN MINH TÂM


i
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

-—o0o-—

-—o0o—-

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên: NGUYỄN THỊ VÂN
Ngày tháng năm sinh : 23/04/1988
Chuyên ngành: Xây dựng cầu hầm

MSHV: 12144631

Nơi sinh: Bình Định
Mã số: 60.58.25

I. TÊN ĐỀ TÀI: Nghiên cứu ảnh hưởng của hư hỏng cáp dự ứng lực căng trong do
sự giảm yếu tiết diện trong quá trình khai thác đến khả năng chịu tải của cầu dầm
hộp bê tông cốt thép thi công theo công nghệ đúc hẫng
II. NHIỆM VỤ LUẬN VĂN
Luận văn nghiên cứu ảnh hưởng của hư hỏng cáp dự ứng lực căng trong do sự
giảm yếu tiết diện trong quá trình khai thác đến khả năng chịu tải của cầu dầm hộp bê
tông cốt thép thi công theo công nghệ đúc hẫng. Nhiệm vụ cụ thể:
1. Tìm hiểu những hư hỏng của cáp dự ứng lực trong giai đoạn khai thác.
2. Phân tích mức độ ảnh hưởng của mất mát tiết diện cáp dự ứng lực căng trong đến
khả năng chịu tải của cầu dầm hộp bê tông cốt thép dự ứng lực thi công theo
phương pháp đúc hẫng cân bằng sau nhiều năm khai thác.
III.

NGÀY GIAO NHỆM VỤ

IV.

NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : Ngày 18 tháng 06 năm 2017

V.

CÁN BỘ HUỚNG DẪN

: Ngày 16 tháng 01 năm 2017

: TS. NGUYỄN DANH THẮNG

TP. HCM, ngày 17 tháng 06 năm 20ỉ 6
CÁN BỘ HUỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

TS. NGUYỄN DANH THẮNG
TS. LÊ BÁ KHÁNH
TRUỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

PGS. TS. NGUYỄN MINH TÂM


ii

LỜI CẢM ƠN
Lời cảm ơn đầu tiên và quan trọng nhất em xin gửi đến Thầy hướng dẫn chính TS.
Nguyễn Danh Thắng, TS. Hồ Thu Hiền, bộ môn cầu Đường, Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng
trường Đại Học Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh. Thầy là người đã đã truyền đạt cho em
niềm đam mê nghiên cứu, dạy em rất nhiều kiến thức, và cho em rất nhiều cảm xúc trong
học tập. Với sự quan tâm, giúp đỡ thường xuyên của Thầy là một động lực rất lớn giúp
em hoàn thành tốt luận văn.
Em xin cảm ơn các Thầy Cô giáo trường Đại Học Bách Khoa Tp. Hồ Chí Minh
nhiệt tình giảng dạy, truyền đạt những kiến thức bổ tích trong thời gian học tập tại trường.
Cảm ơn gia đình đã ln động viên, khuyến khích, và tạo mọi điều kiện thuận lợi
nhất cho tơi trong suốt q trình học tập và thực hiện đề tài.


3

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Đề tài
Nghiên cứu ảnh hưởng của hư hỏng cáp dự ứng lực căng trong do sự
giảm yếu tiết diện trong quá trình khai thác đến khả năng chịu tải của cầu dầm
hộp bê tông cốt thép thi công theo công nghệ đúc hẫng.
Cùng với sự phát triển của đất nước, hệ thống cơ sở hạ tầng giao thông cũng được
đầu tư và triển khai nhiều dự án để phục vụ cho nhu cầu giao thông vận tải. Kết cấu cầu
BTCT DUL được xây dựng từ những năm 1977 với kết cấu đơn giản đến phức tạp ngày
càng được sử dụng phổ biến. Hàng năm chi phí duy tu bảo dưỡng cơng trình GTVT rất
tốn kém. Nên ở Việt Nam rất cần các số liệu thống kê thực trạng và hư hỏng của các
cơng trình cầu ở giai đoạn khai thác để cung cấp cho cơ quan quản lý cầu, nhằm kịp thời
đưa ra các phương án sửa chữa để giảm chi phí sửa chữa xuống thấp nhất có thể.
Vì thế, mục tiêu nghiên cứu trong bài là phân tích mức độ ảnh hưởng của mất mát
tiết diện của cáp dự ứng lực căng trong đến khả năng chịu tải của cầu dầm hộp bê tông
cốt thép dự ứng lực thi công theo phương pháp đúc hẫng cân bằng sau nhiều năm khai
thác. Kết quả của nghiên cứu sẽ là tài liệu tham khảo cho cơ quan quản lý cầu sau này.


4

SUMMARY OF THESIS
Topic
Effect of cross-section area reduction of internal prestressed tendons during
operation process on loading capacity of cantilever reinforced concrete box
girder bridge.
During progress of the nation, infrastructure system be invested and developed to
serve transportation requirement. Pre-stressed concrete structures were built since 1977
in many types from simple to complex. The annual cost of maintenance of infrastructure
is quite expensive. It is necessary to gather data of current status and defect of bridges
which are under operation, to decide proper on-time remedy plan to reduce the repairing
cost as much as possible.

Thus, the object of this report is to analysis the effect of cross-section area
reduction of internal prestressed tendons during operation process on loading capacity
of cantilever reinforced concrete box girder bridge.


V

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn thạc sĩ kỹ thuật “Nghiên cứu ảnh hưởng của hư
hỏng cáp dự ứng lực căng trong do sự giảm yếu tiết diện trong quá trình khai thác
đến khả năng chịu tải của cầu dầm hộp bê tông cốt thép thi công theo cơng nghệ
đúc hẫng” là cơng trình nghiên cứu của cá nhân tôi. Các số liệu ưong luận văn là số
liệu trung thực.
Tơi xin chịu hồn tồn hách nhiệm về nội dung của luận văn này.

TP. HCM, tháng 8 năm 2017

NGUYỄN THỊ VÂN
Học viên cao học khóa 2012
Chuyên ngành: Xây dựng cầu hầm
Trường Đại học Bách Khoa TP. HCM.


vi

MỤC LỤC
CHƯƠNG1: MỞ ĐẦU ............................................................................................... 1
1.1

Tổng quan .................................................................................................... 1

1.2

Mục tiêu nghiên cứu .................................................................................... 7

1.3

Phạm vỉ nghiên cứu ..................................................................................... 7

1.4

Phương pháp nghiên cứu ............................................................................ 7

CHƯƠNG 2: HƯ HỎNG CỦA CÁP DỰ ỨNG LỰC TRONG GIAI ĐOẠN
KHAI THÁC ............................................................................................................. 8
2.1

Đặc điểm chung của kết cấu bê tông cốt thép và kết cấu bê tông cốt thép

dự ứng lực .................................................................................................................. 8
2.1.1 Đặc điểm chung của kết cấu bê tông cốt thép ...................................... 8
2.1.2 Đặc điểm chung của kết cấu bê tông cốt thép dự ứng lực ................... 10
2.2

Các hư hỏng thường gặp và nguyên nhân gây ra hư hỏng của cáp DUL

trong giai đoạn khai thác ........................................................................................... 12
2.3

Phương pháp xác định một số hư hỏng cáp dự ứng lực căng trong ....... 15

2.3.1 Phương pháp phá hủy kết cấu .............................................................. 16
2.3.2 Phương pháp khơng phá hủy kết cấu ................................................... 16
Xác định vị trí cốt thép .............................................................. 16

2.3.2.1

2.3.2.2

a

Phương pháp từ tính ...................................................... 17

b

Phương pháp rada ......................................................... 18

c

Phương pháp siêu âm .................................................... 19

d

Các phương pháp khác .................................................. 20

Xác định vị trí và mức độ nứt, giảm yếu mặt cắt hay đứt gãy

cốt thép dự ứng lực ............................................................................................. 20
2.3.2.3

Phát hiện khoảng trống hoặc thiếu chặt chẽ của vữa lấp ống

vii

chứa cốt thép DƯL và của bê tông bao quanh .................................................... 21
a

Phương pháp IE (impact-echo method): ...................... 21

b

Phương pháp siêu âm: ................................................... 23

2.3.2.4
2.4

Xác định lực căng trong cốt thép DUL ..................................... 23

Một số giải pháp thường sử dụng để sửa chữa và khắc phục hư hỏng.24

CHƯƠNG 3: ẢNH HƯỞNG CỦA HƯ HỎNG CÁP DỰ ỨNG LỰC CĂNG TRONG
DO SỰ GIẢM YẾU TIẾT DIỆN TRONG QUÁ TRÌNH KHAI THÁC ĐẾN KHẢ
NĂNG CHỊU TẢI CỦA CẦU DẦM HỘP BÊ TÔNG CỐT THÉP THI CÔNG THEO
CÔNG NGHỆ ĐÚC HẪNG ..................................................................................... 28
3.1
3.2

Giới thiệu chung ...................................................................................... 28

Ảnh hưởng của hư hỏng cáp DUL căng trong do sự giảm yếu tiết diện

đến khả năng chịu tải của cầu trong giai đoạn khai thác ...................................... 29
3.2.1 Một số ảnh hưởng của hư hỏng cáp dự ứng lực căng trong đến cơng
trình

............................................................................................................. 29
3.2.2 Mối quan hệ giữa mất mát tiết diện cáp DUL với ứng suất và biến

dạng của kết cấu ......................................................................................................... 31

3.3

3.2.2.1

Mối quan hệ giữa mất mát tiết diện cáp DUL với ứng suất ....31

3.2.2.2

Mối quan hệ giữa mất mát tiết diện cáp DUL với biến dạng ..33

Xây dựng mơ hình cầu dầm hộp đúc hẫng bằng phương pháp phần tử

hữu hạn ...................................................................................................................... 34
3.3.1 Giới thiệu chung về phương pháp phần tử hữu hạn ............................. 34
3.3.2 Mô hình hình học cầu bằng Midas/Civil ..............................................38
3.3.2.1
3.3.2.2
3.3.2.3

Giới thiệu chung ........................................................................ 38

Các thơng số ban đầu của mơ hình ............................................ 41
Vật liệu ..................................................................................... 41

3.3.2.4

Mặt cắt kết cấu .......................................................................... 43

3.3.2.5

Mơ hình cầu .............................................................................. 46


viii

Tải trọng ................................................................................... 47

3.3.2.6
a

Trọng lượng bản thân ................................................. 47

b

Tải trọng dự ứng lực ................................................... 48

c

Tải trọng thi công .......................................................... 52

d

Hoạt tải .......................................................................... 52

3.3.2.7

Điều kiện biên ........................................................................... 53

3.3.2.8

Kiểm toán kết cấu...................................................................... 54

3.4

Phân tích ảnh hưởng của mất mát tiết diện cáp dự lực căng trong tác

động đến cồng trình ................................................................................................... 56
3.4.1 Giả thiết hư hỏng ................................................................................. 56
3.4.2 Các trường hợp phân tích hư hỏng được lựa chọn ...............................57
3.4.3 Kết quả nghiên cứu mất mát tiết diện cáp dự ứng lực căng trong ....... 63
3.4.3.1

Kết quả trường hợp mất mát tiết diện Nhóm 1 ........................ 63

3.4.3.2

Kết quả trường hợp mất mát tiết diện Nhóm 2 ......................... 68

3.4.3.3

Kết quả trường hợp mất mát tiết diện Nhóm 3 ......................... 70

3.4.3.4

Kết quả trường hợp mất mát tiết diện Nhóm 4 ......................... 73

3.4.3.5

Kết quả trường hợp mất mát tiết diện Nhóm 5 ......................... 76

3.4.3.6

Kết quả trường hợp mất mát tiết diện Nhóm 6 ......................... 79

3.4.3.7

Kết quả trường hợp mất mát tiết diện Nhóm 7 ......................... 82

3.4.3.8

Kết quả trường hợp mất mát tiết diện Nhóm 8 ......................... 85

3.4.3.9

Kết quả trường hợp mất mát tiết diện Nhóm 9 ......................... 88

3.4.3.10 Kết quả trường hợp mất mát tiết diện Nhóm 10 ....................... 91
3.4.3.11 Tổng hợp kết quả nghiên cứu................................................... 94
CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ......................................................... 102
4.1 Kết luận........................................................................................................ 102
4.2 Kiến nghị ..................................................................................................... 103

ix

TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................... 104


V

DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
a - hệ số dãn nở dài vì nhiệt (microstrains/ °C)
fs - ứng suất trong cốt thép chịu kéo
Aps -

diện tích cáp dự ứng lực (mm2)

AAps -

diện tích cáp dự ứng lực giảm yếu (mm2)

Fi - lực căng trong cáp dự ứng lực (KN)
AOps -

gia tăng ứng suất trong cáp dự ứng lực

oc - ứng suất nén trong bê tông
eps

- độ lệch tâm của bó cáp so với trục trung hịa của tiết diện

yt

- khoảng cách từ trục trung hịa đến thớ bê tơng đang xét

M - mơ men tính tốn do tải trọng ngồi
y - khoảng cách từ trục trung hịa đến điểm tính ứng suất
I - mơ men qn tính của tiết diện BTCT
Ic - mơ men qn tính của bê tơng
Is - mơ men qn tính của cáp
As - diện tích cáp
r - phần chuyển trục của trọng tâm tiết diện thép với trọng tâm của tiết diện
BTCT.
ơgh - ứng suất giới hạn
LNB - chiều dài nhịp biên
LNC - chiều dài nhịp chính
a

- khoảng cách từ dưới nhịp đến điểm thay đổi hình dạng cáp

Nut - lực dự ứng lực khi truyền
ec

- độ lệch tâm so với trục trung hòa

ee

- độ lệch tâm so với trục trung hòa

K - là ma trận độ cứng của kết cấu, được xây dựng từ ma trận độ cứng của các
phần tử;

D - ma trận chuyển vị nút cần tìm.
R - ma trận ngoại lực nút
fc - cường độ chịu nén 28 ngày tuổi


xi

Ec

- module đàn hồi

fSy
f»u

- giới hạn chảy
- giới hạn kéo đứt

Es

- module đàn hồi

f

- giới hạn chảy

Ipy

fp.i

- giói hạn kéo đứt

- lục kích

ơ

gh

- giới hạn kéo của bê tơng

ơ

gh

■■■pu

- giới hạn nén của bê tông
- giới hạn chuyển vị nhịp biên
- giới hạn chuyển vị nhịp chính

ơ

gh

- giới hạn nén của bê tông


12

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Tuổi cơng trình cầu ở Mỹ [1]

2

Hình 1.2 Tình trạng xuống cấp cơng trình cầu ở Mỹ [1]

3

Hình 1.3 Bản đồ các tuyến Metro tại thành phố Hồ Chí Minh

4

Hình 1.4 Biểu đồ ngân sách bảo trì GTVT Việt Nam

5

Hình 1.5 Cầu đường sắt vượt sơng Sài Gịn thi cơng theo phương pháp đúc hẫng cân
bằng
6
Hình 2.1 Thí nghiệm uốn dầm bê tơng

9

Hình 2.2 Thí nghiệm uốn dầm BTCT

9

Hình 2.3 BTCT DƯL

10

Hình 2.4 Hư hỏng của kết cấu bê tơng cốt thép dự ứng lực

13

Hình 2.5 Hư hỏng cáp dự ứng lực do cacbonat hóa bêtơng

14

Hình 2.6 Hư hỏng cáp dự ứng lực do khơng khí ẩm

14

Hình 2.7 Hư hỏng cáp dự ứng lực do ăn mịn của muối

15

Hình 2.8 Hư hỏng cáp dự ứng lực đầu neo

15

Hình 2.9 Phương pháp từ tính xác định vị trí cốt thép

17

Hình 2.10 Phương pháp rada xác định vị trí cốt thép

19

Hình 2.11 Phương pháp từ dư

21

Hình 2.12 Phương pháp IE

23

Hình 2.13 Phương pháp từ tính

24

Hình 2.14 Sửa chữa đứt cáp bằng nối cáp DUL

25

Hình 2.15 Gia cường cho cầu Niệm ở Hải Phịng bằng cáp DUL ngồi

26

Hình 2.16 Gia cường cho cầu Sa Đéc bằng biện pháp dán sợi carbon

26

Hình 2.17 Mơ hình dầm BTCT tăng cường bằng cốt lưới dệt

27

Hình 3.1 Q trình ăn mịn và giảm tiết tiện cốt thép

30

Hình 3.2 Quan hệ giữa mơ hình hóa và thiết kế

37

Hình 3.3 Bố trí chung cầu

39

Hình 3.4

Mặt cắt ngang KCN tại đỉnh trụ

40


13

Hình 3.5

Mặt cắt ngang KCN giữa nhịp chính

40

Hình 3.6

Mặt cắt ngang KCN cuối nhịp biên

41

Hình 3.7

Mơ hình gán hệ tọa độ

41

Hình 3.8 Mơ hình khai báo vật liệu

43

Hình 3.9 Mặt cắt ngang điển hình dầm hộp tại vị gối

44

Hình 3.10 Mặt cắt ngang điển hình dầm hộp tại vị trí giữa nhịp

45

Hình 3.11 Mặt cắt ngang Trụ46
Hình 3.12 Mơ hình cầu dầm hộp thi công theo phương pháp đúc hẫng cân bằng 46 Hình
3.13 Khai báo trọng lượng bản thân

47

Hình 3.14

Mơ hình khai báo tĩnh tải

48

Hình 3.15

Mơ hình khai báo đặc trưng cáp dự ứng lực

49

Hình 3.16

Mơ hình khai báo cáp dự ứng lực

49

Hình 3.17

Bố trí cáp căng trong và cáp căng ngồi

50

Hình 3.18 Bố trí cáp dự ứng lực tại mặt cắt giữa nhịp biên và giữ nhịp chính 57 Hình
3.19 Bố trí cáp dự ứng lực tại mặt cắt đỉnh trụ

51

Hình 3.20 Tải trọng theo phương dọc của đồn tàu Metro

52

Hình 3.21 Tải trọng theo phương ngang của đồn tàu Metro

52

Hình 3.22 Khai báo tải ttọng của đồn tàu Metro

53

Hình 3.23 Tải ttọng theo phương ngang của đồn tàu Metto

54

Hình 3.24 Chuyển vị đứng lớn nhất của cầu dưới tác dụng của hoạt tải

55

Hình 3.25 Nhóm cáp DUL N2

56

Hình 3.26 Nhóm cáp DUL N3

58

Hình 3.27 Nhóm cáp DUL N4

58

Hình 3.28 Nhóm cáp DUL N5

59

Hình 3.29 Nhóm cáp DUL N7

59

Hình 3.30 Nhóm cáp DUL N8

60

Hình 3.31 Nhóm cáp DUL N9

60

Hình 3.31 Nhóm cáp DƯL N10

61


14

Hình 3.32 Quan hệ giữa chuyển vị tại nhịp biên của dầm và tỷ lệ mất mát tiết diện cáp
dự ứng lực
62
Hình 3.33 Quan hệ giữa chuyển vị tại nhịp chính của dầm và tỷ lệ mất mát tiết diện
cáp dự ứng lực
63
Hình 3.34 Quan hệ giữa ứng suất pháp lớn nhất trong bê tông và tỷ lệ mất mát tiết diện
cáp dự ứng lực
67
Hình 3.35 Quan hệ giữa chuyển vị tại nhịp biên của dầm và tỷ lệ mất mát tiết diện cáp
dự ứng lực (TH 18)
68
Hình 3.36 Quan hệ giữa chuyển vị tại nhịp chính của dầm và tỷ lệ mất mát tiết diện

cáp dự ứng lực (TH 18)
69
Hình 3.37 Quan hệ giữa ứng suất pháp lớn nhất trong bê tông và tỷ lệ mất mát tiết diện
cáp dự ứng lực (TH 18)
70
Hình 3.38 Quan hệ giữa chuyển vị tại nhịp biên của dầm và tỷ lệ mất mát tiết diện cáp
dự ứng lực (TH 19)
71
Hình 3.39 Quan hệ giữa chuyển vị tại nhịp chính của dầm và tỷ lệ mất mát tiết diện
cáp dự ứng lực (TH19)
72
Hình 3.40 Quan hệ giữa ứng suất pháp lớn nhất trong bê tông và tỷ lệ mất mát tiết diện
cáp dự ứng lực (TH 19)
73
Hình 3.41 Quan hệ giữa chuyển vị tại nhịp biên của dầm và tỷ lệ mất mát tiết diện cáp
dự ứng lực (TH20)
74
Hình 3.42 Quan hệ giữa chuyển vị tại nhịp chính của dầm và tỷ lệ mất mát tiết diện
cáp dự ứng lực (TH20)
75
Hình 3.43 Quan hệ giữa ứng suất pháp lớn nhất ttong bê tông và tỷ lệ mất mát tiết diện
cáp dự ứng lực (TH20)
76
Hình 3.44 Quan hệ giữa chuyển vị tại nhịp biên của dầm và tỷ lệ mất mát tiết diện cáp
dự ứng lực (TH21)
77
Hình 3.45 Quan hệ giữa chuyển vị tại nhịp chính của dầm và tỷ lệ mất mát tiết diện
cáp dự ứng lực (TH21)
78
Hình 3.46 Quan hệ giữa ứng suất pháp lớn nhất ttong bê tông và tỷ lệ mất mát tiết diện

cáp dự ứng lực (TH21)
79
Hình 3.47 Quan hệ giữa chuyển vị tại nhịp biên của dầm và tỷ lệ mất mát tiết diện cáp
dự ứng lực (TH23)
80
Hình 3.48 Quan hệ giữa chuyển vị tại nhịp chính của dầm và tỷ lệ mất mát tiết diện
cáp dự ứng lực (TH22)
81
Hình 3.49 Quan hệ giữa ứng suất pháp lớn nhất trong bê tông và tỷ lệ mất mát tiết diện
cáp dự ứng lực (TH22 và TH25)
82


XV

Hình 3.50 Quan hệ giữa chuyển vị tại nhịp biên của dầm và tỷ lệ mất mát tiết diện cáp
dự ứng lực (TH26)
83
Hình 3.51 Quan hệ giữa chuyển vị tại nhịp chính của dầm và tỷ lệ mất mát tiết diện
cáp dự ứng lực (TH26)
84
Hình 3.52 Quan hệ giữa ứng suất pháp lớn nhất trong bê tông và tỷ lệ mất mát tiết diện
cáp dự ứng lực (TH26)
85
Hình 3.53 Quan hệ giữa chuyển vị tại nhịp biên của dầm và tỷ lệ mất mát tiết diện cáp
dự ứng lực (TH27)
86
Hình 3.54 Quan hệ giữa chuyển vị tại nhịp chính của dầm và tỷ lệ mất mát tiết diện
cáp dự ứng lực (TH27)
87

Hình 3.55 Quan hệ giữa ứng suất pháp lớn nhất trong bê tông và tỷ lệ mất mát tiết diện
cáp dự ứng lực (TH27)
88
Hình 3.56 Quan hệ giữa chuyển vị tại nhịp biên của dầm và tỷ lệ mất mát tiết diện cáp
dự ứng lực (TH28)
89
Hình 3.57 Quan hệ giữa chuyển vị tại nhịp chính của dầm và tỷ lệ mất mát tiết diện
cáp dự ứng lực (TH28)
90
Hình 3.58 Quan hệ giữa ứng suất pháp lớn nhất trong bê tông và tỷ lệ mất mát tiết diện
cáp dự ứng lực (TH28)
91
Hình 3.59 Quan hệ giữa chuyển vị tại nhịp biên của dầm và tỷ lệ mất mát tiết diện cáp
dự ứng lực (TH29)
92
Hình 3.60 Quan hệ giữa chuyển vị tại nhịp chính của dầm và tỷ lệ mất mát tiết diện
cáp dự ứng lực (TH29)
93
Hình 3.61 Quan hệ giữa ứng suất pháp lớn nhất ttong bê tông và tỷ lệ mất mát tiết diện
cáp dự ứng lực (TH29)
94
Hình 3.62 Quan hệ giữa ứng suất pháp lớn nhất ttong bê tông và tỷ lệ mất mát tiết diện
cáp dự ứng lực
96
Hình 3.63 Quan hệ giữa chuyển vị lớn nhất của dầm tại vị trí giữa nhịp biên và tỷ lệ
mất mát tiết diện cáp dự ứng lực
98
Hình 3.64 Quan hệ giữa chuyển vị lớn nhất của dầm tại vị trí giữa nhịp chính và tỷ lệ
mất mát tiết diện cáp dự ứng lực
100

CHƯƠNG 1

MỞ ĐẦU

1.1 Tổng quan
Trên thế giới cầu bê tông cốt thép (BTCT) dự ứng lực (DƯL) công nghệ đúc
hẫng cân bằng với kết cấu dầm hộp đã được sử dụng từ những năm 1950, trong đó sử
dụng cáp DUL căng trong, căng ngoài hay kết hợp cả hai loại cáp căng trong và căng
ngoài để chịu tải cho kết cấu. Ở các quốc gia phát triển hệ thống cơ sở hạ tầng giao thông
vận tải được xây dựng hiện đại, đồng bộ từ nông thôn đến đô thị từ sau chiến ửanh thế
giới thứ n. Vì thế cơng tác duy tu, sửa chữa cơ sở hạ tầng được đặc biệt quan tâm chú
trọng, thực hiện bài bản để đảm bảo an tồn, bền vững và giảm chi phí sửa chữa trong
quá trình khai thác. Hệ thống tàu điện nhanh nội đô (Metro) ở các quốc gia phát triển
thường chọn ngầm dưới đất để tiết kiệm diện tích và tạo mỹ quan cao nhất cho thành
phố, còn với các nước đang phát triển lại thường được kết hợp giữa dưới mặt đất và trên
cao để tiết kiệm chi phí và khó khăn khi thi cơng. Vì là hệ thống tàu điện nội đô, nên
phần chạy trên cao thường sử dụng cầu bê tông cốt thép dự ứng lực nhằm giảm tiếng ồn
và chi phí duy tu bảo dưỡng khi sử dụng.
Cầu đóng vai trị quan trọng trong hệ thống giao thơng đơ thị, ngồi phục vụ nhu
cầu đi lại của các phương tiện, mỗi cây cầu còn mang một ý nghĩa lịch sử, văn hóa của
mỗi địa phương. Nên tại các quốc gia phát triển và đang phát triển có hệ thống giao
thông vận tải cầu phát triển rất quan tâm và chú trọng tới việc thông kê


2

và phát hiện các hư hỏng của cơng trình cầu để phục vụ cho công tác duy tu bảo dưỡng
và sửa chữa các hư hỏng trong giai đoạn khai thác của từng cơng trình cầu. Như ở nước

Mỹ theo thống kê năm 2016 trong [1] có 614.387 cây cầu, trong đó cỏ 9,1% cây cầu bị
xuống cáp và số lượng các cây càu xuống cấp ngày một tăng lên theo thời gian. Ở Mỹ
số lượng cầu cũ chiếm số lượng lớn trong tồng số cầu của quốc gia, cầu có tuổi khai
thác trên 50 năm chiếm 39%, từ 40-49 năm chiếm 15% ( Hình 1.1).
ĩi Cõng Trĩnh Cãu ớ Mỹ

Tuổi Cầu
0-?

Hình 1.1 Tuổi cơng trình cầu ở Mỹ [1]
Hàng năm, Mỹ đã chỉ ngân sách cho công tác duy tu bảo dưỡng cầu xuống cấp
rất lớn và tăng lên theo thời gian, ước lính chỉ phí mất 11,5 tỷ đơ la năm 2006, chi phí
này cao nhất vào năm 2010 lên đến 18 tỷ đơ la. Với chi phí sửa chữa cầu đắt đỏ như thế
việc ứng dụng các công nghệ mới nhằm nâng cao thuổi thọ của cơng trình cầu được chú
ưọng, hệ thống cảm biển cầu được sử dụng, giúp cho các kỹ sư cố số liệu liên tục và
chính xác về cầu để sớm có các giải pháp đảm bảo an toàn cho


3

cầu nhằm giảm chỉ phí duy tu bảo dưỡng. Từ đỗ tỷ lệ xuống cấp của cầu giảm đỉ đáng
kể theo thời gian (Hình 1.2)
CỊDg Trinh cầu xuống cap

Cấu xuống cảp
theữvùạg
Hình 1.2 Tình trạng xuống cấp cơng trình cầu ờ Mỹ [1]
Ở Việt Nam, cầu BTCT DƯL bắt đầu được đưa vào sử dụng từ những năm 1970.
Từ đó, cùng với sự phát triển của đất nước, hệ thống cơ sở hạ tầng giao thông cũng được
đầu tư và triển khai nhiều dự án để phục vụ cho nhu cầu giao thông vận tảỉ. Kết cấu cầu

BTCT DUL từ đơn giản đến phức tạp ngày càng được sử dụng phổ biến. Trong đó, cơng
nghệ đúc hẫng cân bằng đã được Việt Nam làm chủ và áp dụng rộng rãi trong nhiều dự
án cầu đường lớn nhỏ khác nhau. Tại hội thảo “Giao thông đô thị - công nghệ và kinh
nghiệm của Pháp”, các chuyên gia đánh giá với tốc độ đô thị hốa nhanh và các yếu tố
thuận lợi khấc, Việt Nam cần phát triền hệ thống đường sắt đô thị, và mục tiêu đặt ra
đến năm 2Ỡ2Ỡ là ngành đường sắt phải đáp ứng 13% vận tải hành khách và 14% vận
tải hàng hóa. Vì thế vái sự phát triển của đường sắt đô thị sử dụng tàu chạy trên cao, với
địa hình sơng ngịi cũng như hệ thống giao thơng hiện hữu, thì việc áp dụng cầu BTCT
dự ứng lực theo phương pháp đúc hẫng sẽ cho phép vượt nhịp lớn qua sơng, qua các vị
trí nút giao mà vẫn đảm bảo khổ thông thuyền và hạn chế được việc cản trở sự lưu thơng
của các dịng xe. Đặc biệt là các tuyến đường sắt đô thị tại các thành phố Hồ Chí Minh
và thành phố Hà Nội, kết cáu bê tông cốt thép dự ứng lực được sử dụng rộng rãi vì giảm


4

được tiếng ồn do tàu chạy và hiệu quả kinh tế hơn so vối kết cấu thép. Tại thành phố Hồ
Chí minh tuyến Metro số 1 Bến Thành - Suối tiên với 17,1 km đi trên cao có 9 cầu bê
tông cốt thép dự ứng lực 3 nhịp liên tục (Hình 1.5). Do chi phí xây dựng lớn và tầm
quan trọng của tuyến Metro này đối vối hệ thống cơ sở hạ tầng của thành phố nên vấn
đề quản lý khai thác cần được quan tâm ngay từ giai đoạn ban đầu của quá trình xây
dựng.

Hình 1.3 Bản đà các tuyến Metro tại thành phố Hồ Chí Minh (Nguồn
https://vi.wỉkipedỉa.org)
Theo Helmut Wenzel [2], khỉ kết cấu hư hỏng tức là tính chất của vật liệu hay
sự thay đổi khác thường về hình dáng của kết cấu; chẳng hạn như sụ thay đổi về điều
kiện biên, độ võng, nứt vỡ hoặc sự liên kết giữa các phần tử trong kết cấu,... Trong công
tác kiểm định cầu, bên cạnh những hư hỏng được phát hiện bằng mắt thường, người kỹ
sư còn tiến hành đo đạc các thông số như chuyển vị, dao động, và biến dạng của các

phần tử trong kết cấu. Dựa trên các số liệu đo đạc và dữ liệu ban đầu của cầu, người
quản lý cầu sẽ đưa các thông số đó vào mơ hình phần tử hữu hạn (FEM) để phân tích,
sau đó so sánh với dữ liệu ban đầu của cầu trước khi có hư hỏng để đánh giá ảnh hưởng
của hư hỏng đến khả năng chịu tải, thời gian phục vụ khai thác của cầu và đưa ra các
biện pháp sữa chữa khi cần thiết. Theo thời gian sử dụng, do các yếu tố chủ quan hay


5

khách quan mà cốt thép trong kết cấu có thể bị hư hỏng, khi có hư hỏng xảy ra đối với
thép dự ứng lực, mức độ nguy hiểm sẽ cao hơn so với hư hỏng của thép thường.
Theo thống kê của tổng cục đường bộ Việt Nam [3] ngân sách duy tu bảo dưỡng
cơng trình cầu hàng năm rất cao, đỉnh điểm đạt gần 3500 nghìn tỷ VND năm 2011 (Hình
1.4). Vì vậy, đối với cơng tác quản lý cầu, việc phải phân tích và đánh giá những hư
hỏng trong kết cấu bê tông cốt thép dự ứng lực là rất quan trọng nhằm đảm bảo an toàn
khai thác trong thời gian sử dụng. Việc mô phỏng trước các hư hỏng thường gặp trong
cầu bê tông cốt thép dự ứng lực sẽ giúp cho việc xây dựng cơ sở dữ liệu để đánh giá tình
trạng khai thác của cầu. Từ đó, với số lượng cơng trình càng nhiều, cơng tác kiểm định
sẽ được thực hiện nhanh hơn và tiết kiệm chi phí. Qua đó, để đem lại hiệu quả khai thác
lâu dài, cần có các nghiên cứu dự đốn trước về ảnh hưởng của hư hỏng cáp dự ứng lực
đến chịu tải của cơng trình. Như vậy, từ kết quả nghiên cứu, kỹ sư có thể thành lập được
kho dữ liệu các hư hỏng thường gặp của cơng trình; từ đó sẽ tiết kiệm được thời gian
cũng như chi phí duy tu, sửa chữa khi xảy ra các hư hỏng thường gặp.


6

Hình 1.4 Biểu đồ ngân sách bảo tri GTVT Việt Nam [2]
Tóm lại, đối vái cầu bê tơng bê tơng cốt thép DUL, khả năng chịu tải của cầu
chủ yếu phụ thuộc vào cáp DUL; do đó hư hỏng do mất mát tiết diện cáp DUL của cáp

căng trong được xem là hư hỏng và cần phải được đánh giả mức độ ảnh hưởng đến khả
năng chịu tải của kết cấu.

Hình 1.5 Cầu đường sắt vượt sơng Sài Gịn thỉ công theo phương pháp đúc
hẫng cân bằng
1.2 Mục tiêu nghiên cứu
Từ những báo cáo thường niên ửong [1, 2] cho thấy chi phí duy tu bảo dưỡng
đối với các cơng trình giao thơng vận tải là rất tốn kém. Nên ở Việt Nam rất cần các số
liệu thống kê thực trạng và hư hỏng của các cơng trình cầu ở giai đoạn khai thác để cung


7

cấp cho cơ quan quản lý cầu, nhằm kịp thời đưa ra các phương án sửa chữa để giảm chi
phí sửa chữa xuống thấp nhất có thể. Vì thế, mục tiêu nghiên cứu trong bài là phân tích
mức độ ảnh hưởng của mất mát tiết diện của cáp dự ứng lực căng trong đến khả năng
chịu tải của cầu dầm hộp bê tông cốt thép dự ứng lực thi công theo phương pháp đúc
hẫng cân bằng sau nhiều năm khai thác. Kết quả của nghiên cứu sẽ là tài liệu tham khảo
cho cơ quan quản lý cầu sau này.
1.3 Phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu này tập trung vào việc đánh giá khả năng chịu tải của cầu dầm hộp
liên tục bằng bê tông cốt thép dự ứng lực căng trong trong quá trình khai thác, và trong
nghiên cứu này lấy ví dụ điển hình là cầu đường sắt vượt sơng Sài Gòn thuộc tuyến
Metro số 1 Bến Thành - Suối Tiên có sơ đồ nhịp là 82.5+102.5+82.5 m, thơng qua ứng
suất trong bêtông và chuyển vị của cầu khi mất mát tiết diện cáp dự ứng lực căng trong
trong quá trình khai thác.
1.4 Phương pháp nghiên cứu
Đe thực hiện mục tiều trên, nghiên cứu đi thu thập, tổng hợp và phân tích tài liệu
về ảnh hưởng của hư hỏng cáp dự ứng lực căng trong do sự giảm yếu đến khả năng chịu
tải của cầu trong giai đoạn khai thác.

Sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn đánh giá khả năng khai thác của cầu dầm
hộp thi công theo phương pháp đúc hẫng cân bằng. Trong nghiên cứu này, sử dụng phần
mềm tính tốn kết cấu MIDAS/CIVIL để mơ hình tính tốn kết cấu cầu bê tơng có sử
dụng cáp dự ứng lực căng trong và cáp dự ứng lực căng ngồi, từ đó rút ra một số kết
luận liên quan.


8

CHƯƠNG 2

HƯ HỎNG CỦA CÁP DỰ ỨNG LỰC
TRONG GIAI ĐOẠN KHAI THÁC

2.1 Đặc điểm chung của kết cấu bê tông cốt thép và kết cấu bê tông cốt thép dự
ứng lực
2.1.1 Đặc điểm chung của kết cấu bê tông cốt thép
Kết cấu tông cốt thép là một loại vật liệu xây dựng hỗn hợp do hai vật liệu thành
phần có tính chất cơ học khác nhau là bê tơng và thép cùng cộng tác chịu lực với nhau
một cách hợp lý và kinh tế. Bê tông là một loại đá nhân tạo thành phần bao gồm cốt liệu
(cát, đá) và chất kết dính (ximăng, nước ...). Bê tơng có khả năng chịu nén tốt, khả năng
chịu kéo rất kém. Thép là vật liệu chịu kéo hoặc chịu nén đều tốt. Do vậy người ta
thường đặt cốt thép vào trong bê tông để tăng cường khả năng chịu lực cho kết cấu từ
đó tạo ra bê tơng cốt thép. Đe thấy được sự cộng tác chịu lực giữa bê tông và cốt thép
xem thí nghiệm :
- Uốn một dầm bê tơng như (Hình 2.1), trên dầm chia thành hai vùng rõ rệt là
vùng kéo và vùng nén. Khi ứng suất kéo trong bê tông fc vượt quá cường độ chịu kéo