Dự đoán tuổi thọ còn lại của cầu trà khúc theo lý thuyết mỏi

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
-------------------------------------------

THÂN ĐỨC PHÚC

DỰ ĐOÁN TUỔI THỌ CÒN LẠI CỦA
CẦU TRÀ KHÚC THEO LÝ THUYẾT MỎI

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
-------------------------------------------

THÂN ĐỨC PHÚC

DỰ ĐOÁN TUỔI THỌ CÒN LẠI CỦA
CẦU TRÀ KHÚC THEO LÝ THUYẾT MỎI

Chuyên ngành : Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông
Mã số

: 8580205

LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. CAO VĂN LÂM

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

Thân Đức Phúc


TÓM TẮT LUẬN VĂN
DỰ ĐOÁN TUỔI THỌ CÒN LẠI CỦA CẦU TRÀ KHÚC
THEO LÝ THUYẾT MỎI
Học viên: Thân Đức Phúc
Mã số: 8580205. Khóa: K34

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng CTGT
Trường Đại Học bách Khoa - ĐHĐN

Tóm tắt: Đánh giá tuổi thọ còn lại của kết cấu là một bài toán rất quan trọng, giúp cho đơn vị
quản lý có cơ sở để có kế hoạch nâng cấp công trình, đầu tư công trình để giữ vững yếu tố kỹ thuật của
mạng lưới cầu. Trong luận văn này, học viên dựa vào phương pháp Palmgren – Miner để phân tích
tuổi thọ mỏi còn lại của cầu nhịp thép từ kết quả đo đạc ứng suất thực tế, có đưa vào các hệ số quy đổi
từ mô hình phần tử hữu hạn.

Từ khóa: Tuổi thọ còn lại, phương pháp palmgren – Miner, kết quả thí nghiệm.

PREDICT REMAIN FATIGUE LIFE OF TRA KHUC BRIDGES ACCORDING
TO THE FATIGUE THEORIES
Abstract: Rating the remain fatigue life of the bridge structures is importance problem,
helping management units have the basis to plan for modernization of works, investment projects for
maintenance of technical network bridges. In the thesis, students based on the Palmgren-Miner method
to analyze the remaining fatigue life of the steel spherical bridge from experiment test results,
incorporating the transform coefficients from the Finite element method.

Key words: remain fatigue life, palmgren – Miner method, experiment
test results.


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN
TÓM TẮT LUẬN VĂN
MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC BẢNG
DANH MỤC CÁC HÌNH
MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1
1. Lý do chọn đề tài................................................................................................... 1
2. Mục tiêu nghiên cứu ............................................................................................. 1
3. Đối tượng và Phạm vi nghiên cứu ........................................................................ 1
4. Phương pháp nghiên cứu ...................................................................................... 1
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài .............................................................. 2
6. Cấu trúc của Luận văn .......................................................................................... 2
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CÔNG TRÌNH CẦU TRÀ KHÚC – TỈNH
QUẢNG NGÃI ............................................................................................................... 3
1.1. Tổng quan về công trình cầu Trà Khúc cũ – Tỉnh Quảng Ngãi ............................... 3

1.2. Hiện trạng cầu ........................................................................................................... 7
1.2.1. Kết cấu phần trên ............................................................................................ 7
1.2.2. Kết cấu phần dưới ........................................................................................... 9
1.3. Tổng quan các phương pháp dự đoán tuổi thọ công trình cầu ............................... 10
1.3.1. Khái niệm chung ........................................................................................... 10
1.3.2. Phương pháp suy đoán .................................................................................. 10
1.3.3. Phương pháp tính toán .................................................................................. 11
1.3.4. Phân tích chọn phương pháp ......................................................................... 16
1.4. Kết luận chương 1 .................................................................................................. 18
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ DỰ ĐOÁN TUỔI THỌ CÒN LẠI CỦA CÔNG TRÌNH
CẦU THEO LÝ THUYẾT MỎI ................................................................................ 19
2.1. Đường cong mỏi chuẩn .......................................................................................... 19
2.2. Phổ tải trọng công trình .......................................................................................... 22
2.2.1. Tải trọng của đoàn xe .................................................................................... 22
2.2.2. Phương pháp đo đạc ...................................................................................... 23
2.2.3. Lập phổ tải trọng ........................................................................................... 26
2.3. Tổn thương tích lũy công trình ............................................................................... 30
2.3.1. Công thức của Palmgren-Miner .................................................................... 30


2.3.2. Tính toán tổn thương tích lũy ....................................................................... 33
2.4. Phân tích mô hình xác định các hệ số điều chỉnh ................................................... 35
2.5. Tuổi thọ còn lại của công trình ............................................................................... 36
2.6. Kết luận chương 2 .................................................................................................. 36
CHƯƠNG 3. DỰ ĐOÁN TUỔI THỌ CÒN LẠI CỦA CÔNG TRÌNH CẦU
TRÀ KHÚC TỈNH QUẢNG NGÃI ........................................................................... 37
3.1. Kết quả đo đạt thực nghiệm.................................................................................... 37
3.1.1. Dụng cụ đo .................................................................................................... 37
3.1.2. Tiến hành đo ................................................................................................. 37
3.1.3. Xử lý số liệu đo ............................................................................................. 40

3.2. Xây dựng phổ ứng suất ........................................................................................... 41
3.3. Tuổi thọ công trình cầu Trà Khúc theo phương pháp ứng suất.............................. 44
3.3.1. Đường cong mỏi theo tiêu chuẩn Châu Âu (EC3) ........................................ 44
3.3.2. Đường cong mỏi theo tiêu chuẩn AASHTO................................................. 45
3.4. Nhận xét về kết quả ................................................................................................ 46
3.5. Kết luận chương 3 .................................................................................................. 46
KẾT LUẬN .................................................................................................................. 47
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................... 48
QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (bản sao)


DANH MỤC CÁC BẢNG
Số hiệu
bảng

Tên bảng

Trang

2.1.

Bảng các số liệu cơ bản về độ bền mỏi của thép cơ bản

20

2.2

Số hiệu về đường cong mỏi theo AASHTO

22

2.3.

Bảng xác định hệ số quy đổi gắn thiết bị đo về thanh chịu lực bất lợi
nhất

36

3.1.

Thống kê số chu kỳ lặp tải trong 1 ngày

41

3.2.

Thống kê số chu kỳ lặp tải trong 1 năm

43

3.3.

Bảng tính tổng số chu kỳ ứng suất

45

3.4.

Bảng tính tổng số chu kỳ ứng suất

46


DANH MỤC CÁC HÌNH

Số hiệu
hình

Tên hình

Trang

1.1.

Cầu Trà Khúc - Quảng Ngãi

3

1.2.

Mặt cắt ngang cầu Trà Khúc

3

1.3.

Tiết diện dầm chủ cầu Trà Khúc

4

1.4.

Hình ảnh dầm chủ, các hệ liên kết

5

1.5.

Cấu tạo Mố cầu Trà Khúc

6

1.6.

Cấu tạo Trụ cầu Trà Khúc (Cũ)

6

1.7.

Dầm thép và hệ liên kết bị gỉ

8

1.8.

Hư hỏng khe co giãn và lớp phủ mặt cầu

9

1.9.

Hư hỏng trụ cầu, bào mòn bê tông trụ

9

1.10.

Phạm vi áp dụng của các phương pháp tính tuổi thọ công
trình

12

1.11.

Điều kiện kiểm tra theo mỏi và kiểm tra theo tuổi thọ

14

1.12.

Biểu đồ mô tả vòng lặp ứng suất – biến dạng và các điểm
nhớ M1, M2, M3

16

2.1.

Đường cong mỏi theo tiêu chuẩn Châu Âu EC3

20

2.2.

Hệ đường cong mỏi theo AASHTO

21

2.3.

Các bộ phận của “Wireless Structural Bridges Testing
System”

23

2.4.

Nguyên lý hoạt động của “Wireless Structural Bridges
Testing System”

24

2.5.

Trình bày theo phương pháp đếm dòng mưa

28

2.6.

Đếm chu kỳ ứng suất theo phương pháp dòng mưa

29

2.7.

Biểu đồ phổ ứng suất

30

2.8.

Phổ của biên độ của chu kỳ ứng suất

31

2.9.

Các dạng tổn thương tích lũy khác nhau

31

2.10.

Dạng các đường cong mỏi theo Eurocode 3

32

2.11.

Biểu đồ so sánh giữa các trị số đường cong mỏi với phổ ứng
suất

33

2.12.

Dạng chuyển đổi phổ ứng suất

34


Số hiệu

Tên hình

hình

Trang

2.13.

Kết quả phân tích trên Midas

35

3.1.

Nhịp gần mố cầu Trà Khúc (hướng Tp. Hồ Chí Minh)

37

3.2.

Các bu long liên kết dầm cầu và sensor

38

3.3.

Lắp đặt sensor biến dạng

38

3.4.

Lắp đặt các node và khởi động phần mềm đo

39

3.5.

Biểu đồ biến dạng trong quá trình đo

39

3.6.

Kết quả xuất ra file

40

3.7.

Biểu đồ biến dạng theo thời gian

40

3.8.

Biểu đồ ứng suất theo thời gian (trong ngày)

41

3.9.

Phổ ứng suất trong 1 ngày

42

3.10.

Phổ ứng suất trong 1 năm

44

3.11.

Đường cong mỏi được chọn theo tiêu chuẩn EC3

44

3.12.

Đường cong mỏi được chọn theo tiêu chuẩn AASHTO

45


1

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
- Công trình cầu nói chung sau một thời gian khai thác chịu ảnh hưởng của rất
nhiều các yếu tố chủ quan cũng như khách quan mang lại. Công việc đánh giá khả
năng đáp ứng yêu cầu thực tế của các công trình cầu tại các giai đoạn cụ thể có ý nghĩa
vô cùng quan trọng, giúp nhà quản lý đưa ra các quyết định chính xác, kịp thời như:
Tiếp tục khai thác bình thường; Cần sửa chữa để tiếp tục khai thác hay là phải đầu tư
xây dựng mới.
- Những năm gần đây, cùng với quá trình hội nhập khu vực quốc tế, tải trọng
khai thác theo thời gian cũng phát triển cả về quy mô và tần suất, những tính toán tại
thời điểm thiết kế nhiều lúc chưa định lượng được hết sự thay đổi đó dẫn đến các công
trình cầu sau thời gian dài khai thác với nhiều cấp tải trọng khác nhau sẽ tiềm ẩn rất
cao những rủi ro trong quá trình khai thác.
- Để trả lời được câu hỏi quan trọng ở trên thì việc giải quyết bài toán dự đoán
tuổi thọ công trình cầu là công việc rất cần thiết góp phần hỗ trợ cho các nhà quản lý ở
Việt Nam. Các nghiên cứu về đánh giá tuổi thọ mỏi còn lại của kết cấu cầu cũng thu
hút được sự quan tâm của các Trường Đại học [1], các Viện nghiên cứu trong nước [2]
cũng như trên thế giới [3], nhưng do bài toán đánh giá tuổi thọ mỏi phụ thuộc rất nhiều
yếu tố như tải trọng tác động thực tế, đường cong mỏi (quan hệ biên độ ứng suất và

chu kỳ tải trọng) thực tế và sự làm việc trực tiếp của kết cấu.
- Cầu Trà Khúc (cũ) tỉnh Quảng Ngãi đã được xây dựng từ rất lâu, hiện tại kết
cấu các nhịp cầu đã xuống cấp nhanh, có nhiều hư hỏng không đáp ứng được tải trọng
thiết kế. Lưu lượng xe lưu thông trên cầu ngày càng nhiều, thành phần dòng xe ngày
càng đa dạng sẽ ảnh hưởng nhiều đến khả năng khai thác của cầu.
- Xuất phát từ thực tế nguyên nhân đó, đề tài “Dự đoán tuổi thọ còn lại của cầu
Trà Khúc theo lý thuyết mỏi” được đề xuất với mong muốn dự đoán tuổi thọ còn lại
của một công trình cầu cụ thể.
2. Mục tiêu nghiên cứu
- Xây dựng phổ tải trọng theo các kết quả thực nghiệm.
- Dự đoán tuổi thọ còn lại của cầu Trà Khúc cũ.
3. Đối tượng và Phạm vi nghiên cứu
- Lý thuyết mỏi
- Cầu Trà Khúc cũ.
4. Phương pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu lý thuyết mỏi


2

- Các kết quả thực nghiệm của cầu Trà Khúc cũ.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
- Đánh giá được tuổi thọ còn lại của cầu Trà Khúc cũ theo lý thuyết mỏi
- Ứng dụng để đánh giá tuổi thọ kết cấu các công trình cầu khác.
6. Cấu trúc của Luận văn
Đề tài nghiên cứu gồm phần mở đầu và 3 chương
Mở đầu
- Lý do chọn đề tài (Sự cần thiết phải nghiên cứu).
- Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu.
- Phương pháp nghiên cứu.

Chương 1. Tổng quan về công trình cầu Trà Khúc – tỉnh Quảng Ngãi.
Chương 2. Cơ sở dự đoán tuổi thọ còn lại của công trình cầu theo lý thuyết mỏi.
Chương 3. Dự đoán tuổi thọ còn lại của công trình cầu Trà Khúc tỉnh Quảng Ngãi.


3

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ CÔNG TRÌNH
CẦU TRÀ KHÚC – TỈNH QUẢNG NGÃI
1.1. Tổng quan về công trình cầu Trà Khúc cũ – Tỉnh Quảng Ngãi
Cầu Trà Khúc (cũ) nằm tại lý trình Km1055+464 thuộc tuyến Quốc lộ 1A qua
tỉnh Quảng Ngãi. Cầu được xây dựng và đưa vào khai thác năm 1966. Các thông số kỹ
thuật của cầu như sau:

Hình 1.1. Cầu Trà Khúc - Quảng Ngãi

Hình 1.2. Mặt cắt ngang cầu Trà Khúc


4

+ Kết cấu phần trên
- Chiều dài toàn cầu: Ltc = 643,0 (m).
- Kết cấu nhịp: gồm 20 nhịp dầm thép giản đơn không liên hợp với bản bê tông
cốt thép, Lnhịp = 31,6 (m).
- Mặt cắt ngang gồm 4 dầm chủ (dầm thép đặc chữ I), mặt cắt chữ I cao 1,22m,
khoảng cách tim các dầm là 2,15m.
- Dạng dầm ngang: sử dụng hệ khung cữ X và K ngược, dùng thép
L100*100*10 (mm).

- Bề rộng mặt đường xe chạy 7,5m, bề rộng toàn cầu B=7,5+2x0,5+2x0,25=8,9
(m).
- Các lớp mặt cầu: Lớp bê tông nhựa dày 7cm; lớp phòng nước dày 0,5cm; lớp
bản mặt cầu bằng BTCT dày 15cm.
- Vật liệu đường bộ hành bằng bê tông xi măng và vật liệu lan can, tay vịn bằng
thép mạ kẽm.
- Tải trọng khai thác của cầu: 25T

44

1132/2

1220/2

20

35

75

100

20

20

420
mm
Hình 1.3. Tiết diện dầm chủ cầu Trà Khúc

5

Hình 1.4. Hình ảnh dầm chủ, các hệ liên kết
+ Kết cấu phần dưới
- Mố cầu: Hai mố cấu tạo giống nhau, mố chữ U bằng BTCT có bề mặt bê tông
thân mố và tường đỉnh mố khá thô và nhám; móng mố được đặt trên cọc thép nhồi bê
tông. Tại thời điểm khảo sát, phần đất chân mố vẫn chưa xói lở nhiều, qua đánh giá thì
chất lượng vật liệu mố quan sát bằng mắt thường vẫn còn tốt. Các tứ nón bằng đá hộc
xây vữa: hiện trạng khảo sát vẫn chưa có hư hỏng nào đáng kể nhưng cây cỏ bao phủ
xung quanh nhiều.
- Trụ cầu: Cấu tạo trụ gồm 19 trụ cầu có cấu tạo giống nhau, dạng trụ dẻo bằng
BTCT. Xà mũ trụ bằng BTCT đặt trên hai hàng, mỗi hàng 4 cọc BTCT, 02 cọc biên
đóng xiên theo hai phương; Móng trụ được đặt trên nền cọc thép nhồi bê tông. Qua
kiểm tra hiện trạng, nhận thấy một số trụ bị bong tróc lớp bảo vệ cốt thép nhưng về cơ
bản vẫn đảm bảo được chất lượng khai thác.
+ Lịch sử duy tu bảo dưỡng và sửa chữa:
- Năm 1996: Gia cường nhịp 1 (phía đi Hà Nội) bằng cách sử dụng trụ tạm và
kích chèn lại gối kê. Nhịp 1 bị pháo kích phá hỏng 3 phiến dầm.
- Năm 2000: Sửa chữa lại khe co giản mới bằng khe co giãn cao su; tiến hành
thảm lại lớp bê tông nhựa mặt cầu để đảm bảo xe cộ lưu thông êm thuận và thay gối


6

cầu bằng gối cao su cốt bản thép; Tiến hành sửa chữa các liên kết ngang bằng cách hàn
gắn những vị trí bu long bị hoăn gỉ, mất liên kết.
- Năm 2011: Hệ thống lan can tay vịn trên cầu bị hư hỏng nên phải tiến hành sửa
chữa hệ thống lan can mới bằng thép và thảm tăng cường lại bê tông nhựa mặt cầu.

Hình 1.5. Cấu tạo Mố cầu Trà Khúc

Hình 1.6. Cấu tạo Trụ cầu Trà Khúc (Cũ)


7

1.2. Hiện trạng cầu
Cầu Trà Khúc được xây dựng từ rất lâu nên kết cấu nhịp cầu hiện tại đã xuống
cấp, có nhiều hư hỏng không đáp ứng được yêu cầu tải trọng thiết kế theo tiêu chuẩn
H30, XB80 theo 22TCN 18-79. Cầu hiện đang khai thác tải trọng khoảng 25 tấn (trích
từ hồ sơ lý lịch cầu của đơn vị quản lý cầu). Trải qua thời gian dài khai thác và sự phát
triển kinh tế xã hội làm cho lưu lượng xe tham gia giao thông trên tuyến ngày càng cao,
nhiều xe tải trọng nặng. Vì vậy, tải trọng cầu đáp ứng không còn phù hợp, những cầu
mới xây dựng trên tuyến trong những năm gần đây thiết kế với tải trọng H30-XB80
(theo 22TCN18-79) hoặc HL93 (theo AASHTO LRFD hoặc theo tiêu chuẩn thiết kế
cầu 22TCN-272-05 của Việt Nam). Một số hư hỏng cầu Trà Khúc cụ thể như sau:
1.2.1. Kết cấu phần trên
- Qua kiểm tra, khảo sát hiện trạng Cầu Trà Khúc (cũ) nhận thấy hệ dầm chủ và
hệ liên kết ngang xuất hiện nhiều các vết gỉ tại nhiều vị trí của dầm và hệ liên kết
ngang, lớp sơn phủ bề mặt ngoài của dầm chính và hệ liên kết ngang đã bị bong tróc
nhiều vị trí, bạc màu; một số liên kết bu lông đã bị đứt gãy hoặc bị mài mòn tại các vị
trí liên kết giữa các dầm, giữa hệ liên kết ngang với dầm chủ, qua đánh giá thì không
đảm bảo liên kết chịu lực.


8

Hình 1.7. Dầm thép và hệ liên kết bị gỉ
- Bản mặt cầu: hiện tại lớp phủ bê tông nhựa mặt cầu đã xuất hiện nhiều hư

hỏng như bị bong vỡ nhiều vị trí cục bộ, nứt nẻ và có một số ổ gà, mặt nhựa xuất hiện
các vết nứt chạy dài dọc cầu, nhựa dồn u, bong tróc nhiều vị trí.
- Hệ thống khe co giản trên cầu bị bong vỡ, bê tông liên kết khe co giản bị hư
hỏng nặng dẫn đến bê tông khe co dãn, tấm cao su bị bong bật gây ảnh hưởng đến an
toàn cho người và xe cộ khi lưu thông qua cầu.


9

Hình 1.8. Hư hỏng khe co giãn và lớp phủ mặt cầu
1.2.2. Kết cấu phần dưới
- Mố cầu: qua kiểm tra, quan sát thực tế hiện trạng các mố của cầu có chất
lượng bê tông còn tốt.
- Trụ cầu: các chân trụ cầu đang bị hư hỏng nghiêm trọng, phần bê tông bị bong
tróc, bào mòn gần hết, lòi phần sắt thép bên trong.

Hình 1.9. Hư hỏng trụ cầu, bào mòn bê tông trụ
Như vậy, Quốc lộ 1 là tuyến giao thông huyết mạch của quốc gia có ý nghĩa đặc
biệt quan trọng sự nghiệp phát triển kinh tế xã hội, văn hóa, ổn định an ninh chính trị
của đất nước. Cầu Trà Khúc (cũ) là một trong số các công trình trên tuyến. Với các
yếu tố kỹ thuật và tình trạng hư hỏng của cầu như đã phân tích ở trên nhận thấy cầu
đang bị hư hỏng và xuống cấp ở kết cấu nhịp. Vì vậy cần phải sửa chữa gia cường hệ
dầm chủ để duy trì và tăng khả năng khai thác của cầu.


10

1.3. Tổng quan các phương pháp dự đoán tuổi thọ công trình cầu
1.3.1. Khái niệm chung
- Tuổi thọ công trình hay một bộ phận công trình là khoảng thời gian kể từ khi

đưa công trình đó vào sử dụng đến khi đạt đến trạng thái giới hạn, đó là thời điểm không
còn sử dụng công trình được nữa do các nguyên nhân suy thoái hữu hình hoặc vô hình
sinh ra.
- Để đánh giá tuổi thọ công trình người ta xem nguyên nhân suy thoái hữu hình là
quan trọng hơn cả, có tính chất quyết định. Dạng suy thoái hữu hình thể hiện ở sự sa sút
tính chất cơ học của vật liệu, làm giảm khả năng chịu lực của kết cấu, qua đó làm giảm
giá trị sử dụng so với ban đầu. Dạng suy thoái này được đánh giá bằng các tổng hợp các
tổn thương ở những mức độ khác nhau của từng cấu kiện cơ bản.
- Suy thoái vô hình được đánh giá dựa vào mức độ giảm giá công trình do sự tiến
bộ của khoa học và công nghệ. Nó còn là mức độ bất hợp lý về công dụng và chức năng,
là sự lạc hậu trong sử dụng và được đánh giá bằng những phí tổn để khắc phục tình
trạng lạc hậu cũng như khắc phục các bất hợp lý đó.
- Đối với mỗi công trình, khi một bộ phận phụ thuộc bị hư hỏng ví dụ như lớp
phủ bản mặt cầu hay lan can bị hỏng thì cây cầu đó vẫn chưa hết tuổi thọ. Nhưng nếu
một bộ phận chịu lực chính như dầm chủ bị gãy hay một thanh cơ bản trong giàn chủ bị
đứt thì toàn bộ cây cầu sẽ hết tuổi thọ. Vì vậy dự đoán tuổi thọ cho công trình chính là
dự đoán tuổi thọ cho một bộ phận hay một cấu kiện chịu lực chính của công trình đó.
- Trên thực tế có nhiều phương pháp dự đoán tuổi thọ công trình, chúng được chia
ra làm hai loại: một loại là các phương pháp suy đoán và các phương pháp tính toán.
1.3.2. Phương pháp suy đoán
- Phương pháp suy đoán dựa trên cơ sở thống kê toán học đơn giản từ các số
liệu kinh nghiệm trước đó và qua các kết quả khảo sát đo đạc thực tế. Từ đó có thể suy
đoán được tuổi thọ của các loại công trình. Thí dụ đối với cầu bê tông cốt thép, qua
thống kê cho thấy phần lớn các cầu loại này có tuổi thọ từ 85 đến 100 năm, cầu bê
tông cốt thép dự ứng lực có tuổi thọ từ 100 đến 120 năm. Đối với cầu thép có tiết diện
hở có tuổi thọ từ 60 đến 70 năm, còn cầu thép tiết diện kín có tuổi thọ lớn hơn khoảng
cách từ 85 đến 100 năm [1].
- Những số liệu thống kê trên có thể khác so với tuổi thọ thực tế của mỗi công
trình cầu do sự sai lệch do chất lượng của vật liệu, chế độ tải trọng và môi trường ở
mỗi công trình. Do đó, để dự đoán được gần đúng tuổi thọ của công trình so với thực

tế thì không thể dùng phương pháp suy đoán mà phải áp dụng các phương pháp khác
chính xác hơn.


11

1.3.3. Phương pháp tính toán
- Hiện nay có 4 phương pháp xác định tuổi thọ công trình có thể cho kết quả
gần đúng, trong đó có một phương pháp thí nghiệm và 3 phương pháp tính. Phương
pháp thí nghiệm có ưu điểm là khá chính xác nhưng có nhược điểm là tốn kém và qua
thí nghiệm chỉ xác định được tuổi thọ của một cấu kiện trong công trình. Các phương
pháp xác định tuổi thọ công trình còn lại đều dựa trên cơ sở tính toán, đó là phương
pháp ứng suất, phương pháp biến dạng và phương pháp cơ phá hủy. Độ chính xác của
các phương pháp này phụ thuộc vào tính mỏi của vật liệu, chế độ tải trọng và ảnh
hưởng của môi trường [1].
- Phạm vi và điều kiện ứng dụng của 3 phương pháp tính toán cũng rất khác
nhau (hình1.10). Chẳng hạn, nếu tái hiện được một cách chính xác các phổ tác dụng
của tải trọng trong quá khứ thì có thể lập được các đường tuổi thọ trên cơ sở phương
trình đường cong mỏi thí nghiệm. Ưu điểm của phương pháp này là có phạm vi ứng
dụng rất rộng, nhược điểm của phương pháp là phải có sẵn các kết quả thí nghiệm mỏi
của vật liệu và phổ ứng suất hay còn gọi là phổ tải của các đoàn xe chạy qua.
- Trên (hình 1.10) mô tả phạm vi ứng dụng của phương pháp ứng suất, trong đó
thể hiện mô hình phổ ứng suất, đường cong mỏi và các đường tuổi thọ xét ở các thời
điểm chớm nứt, nứt cực nhỏ và khi đứt gãy.
- Nếu không đủ các thông tin về kết quả thí nghiệm mỏi trên mẫu và không biết
lịch sử khai thác cầu thì có thể sử dụng phương pháp phân tích biến dạng ở nơi có ứng
suất tập trung. Nghĩa là phải tiến hành thí nghiệm mỏi trên mẫu lấy từ một bộ phận
trên cầu hiện tại và sau đó thực hiện các bước tính toán theo yêu cầu của phương pháp
biến dạng. Tuy nhiên phạm vi áp dụng của phương pháp này chỉ đúng đến khi hình
thành vết nứt cực nhỏ. Trường hợp đã phát hiện thấy có vết nứt ≥ 0,2 mm thì phần

tuổi thọ còn lại chỉ có thể tính theo phương pháp cơ học phá huỷ (hình 1.10).


12
log
Chớm nứt
Nứt cực nhỏ
Gãy
Những biên
độ đột biến
e

Phổ Tải
0

Phạm vi phổ

N

6

10

5.10

8

logN

Ph-ơng pháp ứng suất

a
Nt =NA+ NR

at

a0

Chiều dài vết nứt nguy hiểm a t

Vết nứt cực nhỏ a 0

Ph-ơng pháp biến dạng

NA

NR

Nt

logN

Ph-ơng pháp
cơ học phá hủy

Hỡnh 1.10. Phm vi ỏp dng ca cỏc phng phỏp tớnh tui th cụng trỡnh
- chớnh xỏc ca bi toỏn tui th cụng trỡnh ph thuc rt nhiu vo tớnh cht
chu mi ca vt liu, ch ti trng trong sut thi gian khai thỏc cụng trỡnh v tỏc
ng ca mụi trng xung quanh.
- Trong cỏc phõn tớch la chn phng phỏp phõn tớch mi thng phõn chia

thnh mi chu k cao. Cỏc lý thuyt mi hin i cung cp cỏc phõn tớch riờng l i
vi mi pha ca quỏ trỡnh mi. Cỏc lý thuyt hỡnh thnh vt nt c s trờn cỏc gi thit
vt nt mi hỡnh thnh bi nhng bin dng cc b v ng sut tp trung trờn b mt
ca thnh phn kt cu do dng hỡnh hc l l, khụng liờn tc v bỏn kớnh cong. Phỏt
trin vt nt v cỏc trng thỏi phỏ hoi cui cựng c phõn tớch bi quan h phỏt trin
vt nt vi ng sut trong thnh phn s dng c hc phỏ hy.
- V mt lch s, hai hng nghiờn cu quan trng ó phỏt trin cỏc phng phỏp
phõn tớch mi. Th nht ó l nhu cu cung cp cho cỏc nh thit k v cỏc k s vi
phng phỏp thc t, d dng s dng v hiu qu kinh t. Hng nghiờn cu th hai


13

kết hợp hài hòa những hướng giải tích với sự quan sát vật lý. Một trong số quan sát vật
lý quan trọng nhất đó là phân tách quá trình mỏi ra hai pha riêng biệt: tuổi thọ ban đầu
và tuổi thọ lan truyền. Trên cơ sở đó, ba phương pháp phân tích mỏi được ứng dụng
rộng rãi đó là: phương pháp dự đoán tuổi thọ theo ứng suất, phương pháp theo cơ học
phá hủy và phương pháp dự đoán tuổi thọ theo biến dạng. Các phương pháp này có
miền ứng dụng riêng của chúng với một vài mức độ đan xen giữa chúng.
1.3.3.1. Phương pháp dự đoán tuổi thọ theo ứng suất
- Phương pháp dự đoán tuổi thọ theo ứng suất, gọi tắt là phương pháp ứng suất,
lấy ứng suất mỏi hay độ bền mỏi của vật liệu làm đối tượng nghiên cứu. Độ bền mỏi
được ghi dưới dạng ứng suất  hoặc hiệu ứng    max   min .
- Các trường hợp phá hoại do mỏi phần nhiều là do con người không nhận thức
đầy đủ nên chưa có biện pháp phòng ngừa. Tuy nhiên đến nay bài toán kiểm tra mỏi
cũng đã được xét đến ở hầu hết các tiêu chuẩn thiết kế cầu, tiêu biểu là tiêu chuẩn
AASHTO của Mỹ và Eurocode của Châu Âu. Công thức kiểm tra mỏi đã được đơn
giản hóa dưới dạng một bất đẳng thức và sử dụng các hệ số khác nhau để xét đến ảnh
hưởng của các điều kiện cụ thể.
- Phương pháp này không tách biệt giữa hình thành vết nứt và phát triển vết nứt

nhưng giải quyết với tuổi thọ tổng thể hoặc tuổi thọ phá hoại của thành phần kết cấu.
Phương pháp dự đoán tuổi thọ theo ứng suất thể hiện mối quan hệ giữa ứng suất và
phá hoại mỏi trong dạng các đường cong S-N, đạt được bởi các mẫu thí nghiệm chu kỳ
ở ứng suất biên độ hằng số tận khi xuất hiện vết nứt. Các thí nghiệm được lặp nhiều
lần ở các mức độ ứng suất khác nhau để thiết lập đường cong S-N.
- Có hai bài toán kiểm tra, một là kiểm tra độ bền mỏi để đảm bảo kết cấu
không bị phá hoại do mỏi, hai là kiểm tra để dự đoán tuổi thọ còn lại của công trình.
+ Kiểm tra theo độ bền mỏi
Trước hết dựa vào mối quan hệ giữa đường cong mỏi và đường tuổi thọ, ta có
thể giả thiết rằng dải tuổi thọ cùng nằm nghiêng và song song với đường cong mỏi (xét
trên hệ tọa độ loga). Khi thời gian sử dụng chưa vượt quá tuổi thọ yêu cầu (Nyc), bài
toán kiểm tra mỏi ở giai đoạn này chính là kiểm tra theo độ bền mỏi [1].
- Công thức kiểm tra có dạng:

 . e   D , f

(1.1)

Trong đó:
-  là hệ số an toàn chung, được xác định theo tiêu chuẩn thiết kế
-  e là hiệu ứng suất được tính tương đương của bộ phần kiểm tra mỏi của
công trình.
-  D , f là hiệu ứng suất mỏi cho phép, trích lấy từ tiêu chuẩn thiết kế.


14
Log 
KiÓm tra mái

KiÓm tra tuæi thä

 D,t


 e

s
m

m
W



Phæ øng suÊt

yc

f

N

tk

Log 

Hình 1.11. Điều kiện kiểm tra theo mỏi và kiểm tra theo tuổi thọ
Do đã xét đến độ bền khai thác  e nên bài toán kiểm tra độ bền mỏi cũng
chính là bài toán kiểm tra độ bền trong quá trình khai thác công trình. Điều kiện kiểm
tra là độ lớn của độ bền khai thác sau khi nhân với hệ số an toàn chung không được

phép lớn hơn ứng suất mỏi cho phép.
+ Kiểm tra theo tuổi thọ
Khi thời gian sử dụng vượt quá tuổi thọ yêu cầu (Nyc), công trình cần được
kiểm tra theo tuổi thọ. Nếu trong biểu đồ loga (Hình 1.11) dải tản mát của tuổi thọ
chạy tuyến tính với đường cong mỏi W (nghĩa là chạy song song với nhau) thì việc
kiểm tra theo độ bền khai thác cũng chính là kiểm tra theo tuổi thọ.
Điều kiện kiểm tra là thời gian sử dụng tính theo N phải nhỏ hơn tuổi thọ cho
phép:
N < Nf
Trong đó tuổi thọ cho phép Nf bằng tuổi thọ thiết Ntk chia cho hệ số an toàn

N

1.3.3.2. Dự đoán tuổi thọ kết cấu theo phương pháp cơ học phá hủy
Hướng cơ học phá hủy thường được áp dụng để dự đoán tuổi thọ tích lũy từ vết
nứt ban đầu hoặc khuyết tật [1]. Theo Paris tốc độ phát triển của vết nứt dưới tác dụng
của tải trọng được tính như sau:
da
 C. K m
dN

(1.2)

Trong đó:
 K : là hệ số độ mạnh của ứng suất
C : là hệ số đặc trưng của vật liệu, phụ thuộc vào tỷ số ứng suất R   min  max
a : là chiều dài vết nứt
da
: là tốc độ phát triển của vết nứt theo số lần lặp tải.
dN

Số lần lặp tải hay tuổi thọ kết cấu N được tính như sau:


15

N= NA + NR
Trong đó NR là tuổi thọ còn lại :
a

NR 

a

1
da
1
da
 
m

C ao K
C ao (2 a.Y )m

Với K  2 . a.Y

(1.3)
(1.4)

Ở đây : NA là số lần lặp tải trước khi có vết nứt ban đầu ao.

N là tổng số lần lặp tải đến khi có vết nứt bằng a.
ao là chiều dài vết nứt ban đầu.
 là biên độ ứng suất.

m là hệ số đặc trưng, thể hiện tính mỏi của vật liệu.
Y là hàm quan hệ phụ thuộc vào dạng vết nứt và vị trí của vết nứt.
1.3.3.3. Phương pháp dự đoán tuổi thọ theo biến dạng
Các phương pháp dự đoán tuổi thọ kết cấu, đối với những công trình chịu tác
dụng của tải trọng lặp, đều phải dựa vào các đường cong mỏi của vật liệu. Đường cong
này được xây dựng từ nhiều kết quả thí nghiệm một cấp ứng suất. Bài toán được thực
hiện trên cơ sở lý thuyết tổn thương tích lũy của Palmgren và Miner. Phương pháp này
mô tả rõ tác dụng của tải trọng theo thời gian nhất là trong phạm vi chuyển tiếp giữa
biến dạng đàn hồi sang biến dạng dẻo tại vị trí yếu nhất trên mỗi cấu kiện của kết cấu.
a. Biểu đồ ứng suất – biến dạng dưới tác dụng của tải trọng lặp
Dưới tác dụng của tải trọng lặp, trong kết cấu xuất hiện thành phần biến dạng
dẻo, biến dạng này phát triển thành vết nứt cực nhỏ, lâu dần vết nứt nhỏ phát triển
thành vết nứt lớn rồi dẫn đến phá hoại.
Mô tả quá trình đó cho ta biểu đồ ứng suất – biến dạng [1], trong đó quan niệm
rằng trước khi kết cấu bị phá hoại đường cong ứng suất – biến dạng lặp theo những
chu kỳ ổn định. Dưới tác dụng của tải trọng ngẫu nhiên kết cấu bị yếu đi do mỏi. Để
đánh giá tuổi thọ của kết cấu, ngoài việc xác định đường cong mỏi qua thí nghiệm trên
mẫu, cần lập được phổ ứng suất ta phải sử dụng một phương pháp đếm thích hợp, đếm
được theo số vòng biến dạng.
b. Phương pháp đếm số vòng biến dạng
Các đường cong lặp trên biểu đồ ứng suất – biến dạng có hai tính chất cơ bản,
đó là tính chất MASING và tính chất nhớ lại.
- Tính chất MASING: theo MASING thì dạng của các nhánh vòng lặp phải phù
hợp với đoạn đường cong do đặt tải lần đầu sinh ra (đoạn đường cong này được gọi là
đường cong đầu).

16

Theo tính chất này thì giữa ứng suất và biến dạng của vật liệu luôn có quan hệ
mật thiết với nhau, có khả năng tạo thành một vòng lặp kín với những đặc thù sau: Là
một đường liên tục thì chỉ có tải trọng tĩnh tác dụng; Khi chịu nén có dạng tương tự
khi chịu kéo. Dưới tác dụng của tải trọng lặp, vòng ứng suất – biến dạng lệch đi so với
đường cong đầu theo một quy luật nhất định. Quy luật này gọi là tính chất nhớ lại của
vật liệu.
- Tính chất nhớ lại: Vật liệu có khả năng nhớ lại, thể hiện ở 3 điểm sau:



3

1













2












3

Hình 1.12. Biểu đồ mô tả vòng lặp ứng suất – biến dạng và các điểm nhớ
M1, M2, M3
Điểm nhớ 1 (M1): là điểm khép lại sau một vòng lặp, nếu đối chiếu với (hình
1.12) thì M1 chính là điểm 1 thuộc vòng lặp (1-2-1).
Điểm nhớ 2 (M2): Sau khi khép lại một vòng lặp (4-5-4) thì cấu kiện sẽ biến
dạng tiếp theo đoạn (3-4) để nối thành nhánh (3-4-6). Ở đây M2 nằm trong đoạn (3-46) và trùng với điểm 4.
Điểm nhớ 3 (M3): Là điểm giao giữa một nhánh vòng lặp (6-3) hoặc (6-3-7) với
đường cong đầu. Điểm M3 nằm trên đoạn kéo dài của đường cong đầu. Nghĩa là
đường cong ứng suất – biến dạng sẽ khép lại các nhánh mới để trở về đường cong đầu
tại điểm M3. Điểm này là những điểm trung gian nằm trên đường cong đầu.
Các vòng lặp được mô tả trên biểu đồ ứng suất – thời gian. Mỗi vòng lặp được
đếm là một chu kỳ. Trên cơ sở số vòng đếm được sẽ cho phép lập thành phổ ứng suất.
1.3.4. Phân tích chọn phương pháp
- Để lựa chọn được phương pháp áp dụng vào luận văn, ta tiến hành phân tích
ưu nhược điểm của các phương pháp, được thể hiện qua bảng sau đây: