Nghiên cứu thiết kế và biện pháp thi công nâng cấp cầu bàu quảng ngãi bằng cáp dự ứng lực ngoài

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
---------- oOo ----------

ĐẶNG HỮU LINH

NGHI N CỨU THI T K V BI N PHÁP THI C NG
NÂNG CẤP CẦU B U - QUẢNG NGÃI BẰNG
CÁP DỰ ỨNG LỰC NGO I.

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông

Đà Nẵng, 2018


ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
---------- oOo ----------

ĐẶNG HỮU LINH

NGHI N CỨU THI T K V BI N PHÁP THI C NG
NÂNG CẤP CẦU B U - QUẢNG NGÃI BẰNG
CÁP DỰ ỨNG LỰC NGO I.

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông
Mã số: 80.85.205

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. CAO VĂN LÂM

Đà Nẵng, 2018


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả nghiên cứu trong luận văn là trung thực và chƣa từng
đƣợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác.
Tác giả luận văn

Đặng Hữu Linh


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .........................................................................................................................
MỤC LỤC ....................................................................................................................................
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ..............................................................................................
DANH MỤC BẢNG BIỂU ..........................................................................................................
DANH MỤC HÌNH ẢNH ............................................................................................................

MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1
1. Tên đề tài: .................................................................................................................... 1
2. Tính cần thiết của đề tài: ............................................................................................. 1
3. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn ............................................................................... 2
5. Phƣơng pháp nghiên cứu ............................................................................................. 2
6. Cấu trúc luận văn ......................................................................................................... 3
Chƣơng 1: Nâng cấp dầm cầu cũ dự ứng lực bằng phƣơng pháp dự ứng lực ngoài. ...... 3

Chƣơng 2: Tính toán thiết kế gia cƣờng cầu Bàu bằng cáp dự ứng lực ngoài ................ 3
Chƣơng 3: ........................................................................................................................ 3
7. Tổng quan tài liệu nghiên cứu ..................................................................................... 3
8. Ý nghĩa thực tế của đề tài ............................................................................................ 3
Chƣơng 1.NÂNG CẤP DẦM CẦU CŨ DỰ ỨNG LỰC 4BẰNG PHƢƠNG PHÁP
DỰ ỨNG LỰC NGOÀI .................................................................................................. 4
1.1. Tổng quan về Cầu Bàu tại Km1096+713 nằm trên Quốc lộ 1 thuộc địa phận huyện
Đức Phổ, tỉnh Quảng Ngãi [1] ......................................................................................... 4
1.1.1. Kết cấu cầu: ........................................................................................................... 4
1.1.2. Các dạng hƣ hỏng trong kết cấu nhịp cầu ............................................................. 5
1.2. Tổng quan về các biện pháp nâng cấp công trình cầu hiện nay ............................. 11
1.2.1. Gia cƣờng bằng phƣơng pháp tăng cƣờng tiết diện ............................................ 11
1.2.2. Gia cƣờng cầu bằng tấm polymer cốt sợi cacbon (FRP) ..................................... 12
1.3. Tổng quan về công tác gia cƣờng cầu cũ sử dụng công nghệ căng cáp dự ứng lực
ngoài .............................................................................................................................. 17
1.3.1. Sơ lƣợc về công nghệ dự ứng lực ngoài .............................................................. 18
1.3.2. Khái niệm về dự ứng lực ngoài ........................................................................... 19
1.3.3. Phạm vi ứng dụng ................................................................................................ 19
1.3.4. Các hình thức bố trí cáp DUL ngoài ................................................................... 21


1.3.5. Các giả thiết trong tính toán và cấu tạo ............................................................... 22
1.3.6. Các hình thức cấu tạo bố trí cáp ngoài dọc cầu ................................................... 23
1.3.7. Ƣu, nhƣợc điểm ................................................................................................... 25
1.4. Những khó khăn trong quá trình căng cáp dự ứng lực ngoài ................................. 26
1.5. Kết luận chƣơng ..................................................................................................... 26
Chƣơng 2.TÍNH TOÁN THIẾT KẾ GIA CƢỜNG CẦU BÀU BẰNG CÁP DỰ ỨNG
LỰC NGOÀI ................................................................................................................. 27
2.1. Cơ sở dự đoán lực căng còn lại của cầu cũ ............................................................ 27
2.1.1. Xác định độ vồng do cáp dự ứng lực trong dầm gây ra: (Theo lý thuyết) .......... 27

2.1.2. Xác định độ võng của cầu do tỉnh tải gây ra ....................................................... 27
2.1.3. Tính toán lực kéo còn lại thực tế trong cáp DƢL: (Trƣờng hợp không có hoạt
tải) .................................................................................................................................. 27
2.1.4. Xác định độ võng của cầu khi có hoạt tải gây ra ................................................. 28
2.1.5. Tính toán lực kéo còn lại thực tế trong cáp DƢL (Trƣờng hợp có hoạt tải) ....... 28
2.2. Tính toán lƣợng cáp dự ứng lực cần bổ sung ......................................................... 29
2.2.1. Xác định sức kháng uốn còn lại trong dầm ......................................................... 29
2.2.2. Kiểm toán các giới hạn cốt thép .......................................................................... 30
2.2.3. Kiểm toán sức kháng cắt còn lại trong dầm ........................................................ 30
2.2.4. Kiểm toán ứng suất trong giai đoạn sử dụng ....................................................... 30
2.2.5. Xác định cáp DUL cần gia cƣờng ....................................................................... 30
2.2.6. Số tao cáp DUL cần phải bổ sung ....................................................................... 32
2.3. Kiểm toán lại cầu với các trạng thái giới hạn ......................................................... 32
2.3.1. Tính mất mát ứng suất trong quá trình căng kéo cốt thép ................................... 32
2.3.2. Kiểm toán sức kháng uốn của dầm tại vị trí giữa nhịp ........................................ 34
2.3.3. Kiểm toán sức kháng cắt của dầm ....................................................................... 35
2.3.4. Kiểm toán theo TTGH sử dụng ........................................................................... 36
2.4. KẾT LUẬN CHƢƠNG .......................................................................................... 38
Chƣơng 3.QUY TRÌNH THI CÔNG VÀ KIỂM SOÁT ỨNG SUẤT – CHUYỂN VỊ
TRONG QUÁ TRÌNH THI CÔNG CĂNG CÁP DỰ ỨNG LỰC NGOÀI ................. 39
3.1. Tổ chức xác định đo độ võng ở hiện trƣờng .......................................................... 39
3.1.1. Công tác chuẩn bị để thí nghiệm tại hiện trƣờng gồm ........................................ 39


3.1.2. Tải trọng thử và các sơ đồ xếp tải ...................................................................... 39
3.1.3. Bố trí điểm đo ...................................................................................................... 43
3.1.4. Mục đích của việc đo tại hiện trƣờng .................................................................. 43
3.1.5. Kết quả đo độ võng thực tế tại hiện trƣờng và tính toán lực kéo còn lại của dầm43
3.2. Tính toán lực căng còn lại trong dầm cầu cũ.......................................................... 44
3.2.1. Các thông số kỹ thuật và số liệu đầu vào: [Theo kết quả kiểm định cầu năm

2017] .............................................................................................................................. 44
3.2.2. Tính toán các đặc trƣng hình học của mặt căt ..................................................... 44
3.2.3. Tính toán hệ số phân bố ngang đối với hoạt tải .................................................. 44
3.2.4. Tính toán nội lực của dầm ................................................................................... 44
3.2.5. Tính toán lực kéo còn lại trong cáp DƢL theo lý thuyết .................................... 46
3.2.6. Tính toán lực kéo còn lại thực tế trong cáp DƢL (Đo độ võng thực tế tại hiện
trƣờng) ........................................................................................................................... 46
3.2.7. Kiểm toán các trạng thái giới hạn dƣới tác dụng tải trọng tính toán HL93 ........ 47
3.2.8. Kiểm toán ứng suất trong giai đoạn sử dụng ....................................................... 50
3.2.9. Tính toán lƣợng cáp cần gia cƣờng ..................................................................... 52
3.2.10. Tính toán mất mát ứng suất ............................................................................... 53
3.2.11. Kiểm toán các trạng thái giới hạn ...................................................................... 54
3.3. Tổ chức thi công ..................................................................................................... 57
3.3.1. Kiểm soát chuyển vị trong quá trình thi công theo từng cấp .............................. 59
3.3.2. Kiểm soát ứng suất tại vị trí gối và giữa nhịp trong quá trình thi công theo từng
cấp .................................................................................................................................. 59
3.4. Quy trình công nghệ thi công căng cáp dự ứng lực ............................................... 59
3.4.1. Những yêu cầu chung .......................................................................................... 59
3.4.2. Những vấn đề cần chú ý trong sửa chữa bằng DUL ngoài ................................. 60
3.5. Kết luận chƣơng ..................................................................................................... 63
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ....................................................................................... 64


TÓM TẮT LUẬN VĂN
NGHI N CỨU THI T K V BI N PHÁP THI C NG NÂNG CẤP CẦU B U
- QUẢNG NGÃI BẰNG CÁP DỰ ỨNG LỰC NGO I
Học viên: Đặng Hữu Linh
Mã số: 85.80.205; Khóa: K33

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình

giao thông
Trƣờng: Đại học Bách Khoa - ĐHĐN

- Nghiên cứu các biện pháp gia cƣờng cho cầu bê tông cốt thép dự ứng lực, phân tích
ƣu, nhƣợc điểm, phạm vi áp dụng. Ứng dụng biện pháp gia cƣờng kết cấu nhịp cầu Bàu bằng
phƣơng pháp căng cáp dự ứng lực ngoài, đƣa ra những khó khăn của công nghệ căng cáp dự
ứng lực ngoài.
- Trên cơ sở lý thuyết cơ học để dự đoán lực căng còn lại của dầm bê tông cốt thép dự
ứng lực làm cơ sở dự đoán sức chịu tải của cầu. Tiến hành thí nghiệm đo chuyển vị của cầu
dƣới tác dụng của 2 xe tải thí nghiệm, làm cơ sở quan trọng cho việc dự đoán lực căng còn lại
của cáp dự ứng lực.
- Tính toán nâng cấp cầu Bàu với tải trọng yêu cầu là HL93.
- Kiểm toán lại dầm để kết cấu đảm bảo khả năng chịu lực theo trạng thái giới hạn
cƣờng độ I và theo trạng thái giới hạn sử dụng.
- Đề xuất công nghệ, quy trình thi công và kiểm soát ứng suất, chuyển vị trong quá
trình căng kéo cáp dự ứng lực ngoài đảm bảo dầm không bị nứt gẫy.
DESIGN STUDIO AND MEASUREMENT METHODS FOR LEADING THE BAU QUANG NGAI BRIDGE WITH FORGOTTEN CABLE
- Study reinforcement measures for reinforced concrete bridges, analysis of pros and
cons, scope of application. Application of structural reinforcement measure of Bau bridge by
external tensioning cable method, presents the difficulties of external tensioning cable
tensioning technology.
- Based on mechanical theory to predict the remaining tension of prestressed
reinforced concrete beam as a basis to predict the bearing capacity of the bridge. Carry out a
test of the displacement of the bridge under the effect of two experimental trucks, which is an
important basis for predicting the remaining tension of the post-tensioning cable.
- Calculate the Bau Bridge upgrade with the required load of HL93.
- Reinforced beams to ensure structural strength under the intensity limitation state I
and the status limitation.
- Proposed technology, construction process and control of stress, displacement in the
process of stretching the external tension cable to ensure that the beam is not cracked.

DANH MỤC CÁC TỪ VI T TẮT

BTCT :

Bê tông cốt thép

BTCTDƢL : Bê tông cốt thép dự ứng lực
DUL:

Dự ứng lực

TCN :

Tiêu chuẩn ngành

FRP :

Fiber Reinforced Polymer (Vật liệu polime)

AFRP :

Aramid Fiber Reinforced Polymer (Vật liệu polime sợi aramid)

GFRP :

Glass Fiber Reinforced Polymer (Vật liệu polime sợi thủy tinh)

CFRP :

Carbon Fiber Reinforced Polymer (Vật liệu polime sợi cacbon)

ACI :

American Concrete Institu : (Tiêu chuẩn của viện bê tông Mỹ)

AASHTO : American Association of State Highway and Transportation Officials
(Hiệp hội các viên chức giao thông và đƣờng bộ Hoa Kỳ)
ACMA:

American Composites Manufactures Association: Hiệp hội các doanh
nghiệp sản xuất composite Mỹ

TCVN:
TCN:
TTGH CĐ:
DC:
DW:
LL:
PL:

Tiêu chuẩn Việt Nam
Tiêu chuẩn ngành
Trạng thái giới hạn cƣờng độ
Tĩnh tải giai đoạn 1
Tĩnh tải giai đoạn 2
Hoạt tải xe HL93
Hoạt tải ngƣời đi bộ

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1: Thể hiện tính chất cơ học khác nhau của các loại chất nền ...................... 14
(Coker 2003) ............................................................................................................. 14
Bảng 1.2: Một số đặc trƣng tiêu biểu của hệ thống tấm sợi FRP ............................. 15
Bảng 1.3: Một số đặc trƣng tiêu biểu của các sản phẩm FRP................................... 15
Bảng 1.4:Hệ số giãn nở nhiệt theo các phƣơng của vật liệu FRP ............................. 16
(theo Mallic 1998) ..................................................................................................... 16
Bảng 3.1: Bảng tổng hợp hệ số phân bố ngang đối với hoạt tải gây ra .................... 44
Bảng 3.2: Bảng nội lực ở TTGHCĐ I đối với dầm trong ......................................... 44
Bảng 3.3: Bảng nội lực ở TTGHCĐ I đối với dầm ngoài ......................................... 45
Bảng 3.4: Bảng nội lực ở TTGHSD đối với dầm trong ............................................ 45
Bảng 3.5: Bảng nội lực ở TTGHSD đối với dầm ngoài ........................................... 46
Bảng 3.6: Kiểm toán dầm ở TTGHCĐ1 dƣới tải trọng HL93 .................................. 47
Bảng 3.7: Kiểm toán hàm lƣợng cốt thép tối đa ....................................................... 48
Bảng 3.8: Kiểm toán hàm lƣợng cốt thép tối thiểu ................................................... 48
Bảng 3.9: Kiểm toán sức kháng cắt của dầm đối với trƣờng hợp 1 .......................... 49
Bảng 3.10: Kiểm toán ứng suất trong giai đoạn sử dụng đối với dầm trong ............ 50
Bảng 3.11: Kiểm toán ứng suất trong giai đoạn sử dụng đối với dầm ngoài ........... 51
Bảng 3.12: Xác định lƣợng cáp cần thiết gia cƣờng ................................................. 52
Bảng 3.13: Tổng hợp các mất mát ứng suất .............................................................. 54
Bảng 3.14: Kiểm toán sức kháng uốn tính toán theo TTGH cƣờng độ I .................. 54
Bảng 3.15: Kiểm toán sức kháng cắt tính toán theo TTGH cƣờng độ I ................... 55
Bảng 3.16: Kiểm toán ứng suất của dầm theo TTGH sử dụng ................................. 56
Bảng 3.17: Kiểm soát chuyển vị trong quá trình thi công ........................................ 59


DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1: Hiện trạng cầu Bàu .......................................................................................... 4
Hình 1.2: Hƣ hỏng mặt đƣờng BTN trên cầu .................................................................. 8

Hình 1.3. Hƣ hỏng tại khe co giản ................................................................................... 9
Hình 1.4: Hƣ hỏng tại mối nối dọc của cầu ................................................................... 10
Hình 1.5: Các dạng vết nứt trong kết cấu nhịp cầu ....................................................... 11
Hình 1.6: Các dạng tiết diện tăng cƣờng ....................................................................... 11
Hình 1.7: Hƣớng phân bố của cốt sợi (Smith, 1996) .................................................... 15
Hình 1.8: Bố trí tấm sợi FRP tăng cƣờng sức kháng uốn.............................................. 16
Hình 1.9: Bố trí tấm sợi FRP tăng cƣờng sức kháng cắt ............................................... 17
Hình 1.10: Tăng cƣờng kháng sức cắt cho dầm BTCT bằng tấm sợi FRP ................... 17
Hình 1.11: Cầu Sài Gòn Sau khi sửa chữa, gia cƣờng công trình cầu khá tốt, tải trọng
khai thác tăng từ HS20-44 lên H30 ............................................................................... 18
Hình 1.12: Tăng cƣờng dầm cầu BTCT bằng DUL ngoài tuyến cáp thẳng .................. 21
Hình 1.13: Tăng cƣờng dầm cầu BTCT bằng DUL ngoài tuyến cáp gẫy khúc ............ 22
Hình 1.14: Tăng cƣờng dầm cầu đơn giản BTCT nhiều nhịp bằng DUL ngoài để liên
tục hoá các nhịp dầm ..................................................................................................... 22
Hình 1.15: Neo đặt vào khối dầm ngang đầu dầm ........................................................ 25
Hình 2.1: Sơ đồ tính toán gia cƣờng cáp DUL ngoài .................................................... 31
Hình 2.2: Sơ đồ tính ứng suất của dầm sau gia cƣờng .................................................. 36
Hình 3.1: Sơ đồ xếp tải đo độ võng thực tế tại hiện trƣờng .......................................... 40
Hình 3.2: Xếp tải thực tế tại hiện trƣờng ....................................................................... 41
Hình 3.3: Kiểm tra xác định các trị số của đồng hồ đo độ võng ................................... 42
Hình 3.4: Bố trí điểm đo độ võng dầm chủ ................................................................... 43
Hình 3.5: Biểu đồ mômen tính toán ở TTGHCĐ1 và Sức kháng uốn của dầm ............ 48
Hình 3.6: Biểu đồ lực cắt tính toán ở TTGHCĐ1 và Sức kháng cắt của dầm .............. 50
Hình 3.7: Vị trí đo ứng suất của dầm ............................................................................ 58
Hình 3.8:Vị trí đo chuyển vị của dầm ........................................................................... 58


1

MỞ ĐẦU

1. Tên đề tài:
Nghiên cứu thi t

và i n ph p thi công nâng cấp cầu Bàu - Quảng Ngãi

ằng c p dự ứng lực ngoài.
2. Tính cần thi t của đề tài:
Trong những năm gần đây, trong xu thế hòa nhập với nền kinh tế thế giới, kinh
tế nƣớc ta có những bƣớc phát triển nhanh và ổn định. Các hình thức vận tải, phƣơng
tiện và số lƣợng ngƣời tham gia giao thông ngày một tăng. Nhiệm vụ của ngành giao
thông vận tải là đảm bảo cho ngƣời tham giao giao thông, phƣơng tiện và hàng hóa
đƣợc đảm bảo an toàn và thông suốt. Cho nên việc đầu tƣ nâng cấp, cải tạo nhằm nâng
cao năng lực hoạt động, kéo dài tuổi thọ những cây cầu, con đƣờng hiện có đảm bảo
an toàn giao thông là nhiệm vụ hết sức cấp bách.
Cầu Bàu tại Km1096+713 nằm trên Quốc lộ 1 thuộc địa phận huyện Đức Phổ,
tỉnh Quảng Ngãi đƣợc thiết kế với tải trọng HS20-44 theo quy trình AASHTO92 bằng
cáp DUL căng trƣớc với tải trọng 20tấn, đoàn ngƣời 3KN/m2, cấp động đất cấp VII.
Hiện nay, nhu cầu giao thông qua cầu Bàu tăng cao, việc phát triển kinh tế quá
nhanh của huyện Đức Phổ nói chung và tỉnh Quảng Ngãi nói riêng đã thúc đẩy các
phƣơng tiện giao thông không ngừng nâng cấp, phát triển theo. Tải trọng của các
phƣơng tiện vận chuyển tăng lên rất nhiều (có thể nói vƣợt cả tải trọng HL93) đã làm
cho cầu Bàu xuống cấp và không có khả năng chịu đƣợc các loại xe siêu tải trọng trên
tuy đã đƣợc nhiều lần gia cố tăng cƣờng.
Việc đầu tƣ xây dựng mới các công trình cầu tiêu tốn về vốn và thời gian rất
nhiều. Trong hoàn cảnh đất nƣớc còn khó khăn thì việc sử dụng hiệu quả về vốn rất có
ý nghĩa. Do đó, sửa chữa và tăng cƣờng cầu để duy trì sự làm việc của các công trình
cầu thêm một thời gian nữa là một việc làm rất cần thiết. Vì vậy, vấn đề cần đặt ra là
nghiên cứu lựa chọn phƣơng pháp sửa chữa và tăng cƣờng nào cho hiệu quả.
Hiện nay, có một số phƣơng pháp sữa chữa và tăng cƣờng cầu đƣợc ứng dụng
nhiều trong thực tế ở nƣớc ta nhƣ: Tăng độ cứng ngang của kết cấu nhịp, sử dụng

công nghệ dán bản thép, căng cáp dự ứng lực ngoài, bù tiết diện, liên tục hóa kết cấu
nhịp, sử dụng công nghệ dán tấm chất d o sợi cacbon.


2

Để đáp ứng vấn đề giao thông cũng nhƣ bài toán kinh tế, vấn đề đặt ra là phải
nghiên cứu, phân tích, đánh giá hiện trạng những cây cầu đó đang bị hƣ hỏng ở mức
độ nào, nguồn gốc gây ra hƣ hỏng và cuối cùng đƣa ra biện pháp thay mới, nâng cấp
cải tạo, sửa chữa tăng cƣờng năng lực khai thác phù hợp với tình hình thực tế.
Cầu Bàu tại Km1096+713 nằm trên Quốc lộ 1 thuộc địa phận huyện Đức Phổ,
tỉnh Quảng Ngãi đƣợc thiết kế với tải trọng HS20-44 theo quy trình AASHTO92 bằng
cáp DUL căng trƣớc để phát huy hết khả năng làm việc của vật liệu ta phải tính toán
đƣa ra biện pháp sửa chữa nhằm đảm bảo khả năng chịu tải trọng HL93, đảm bảo giao
thông và kinh tế nhất. Vậy ta chọn công nghệ căng ngoài, nhằm ứng dụng rộng rãi
công nghệ này ở nƣớc ta.
3. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn
- Nghiên cứu hiện trạng cầu Bàu tại Km1096+713 nằm trên Quốc lộ 1 thuộc địa
phận huyện Đức Phổ, tỉnh Quảng Ngãi.
- Nghiên cứu, tìm hiểu sơ đồ chịu lực của dầm cầu trƣớc khi gia cƣờng.
- Nghiên cứu, tính toán tăng cƣờng cầu để chịu tải trọng lớn hơn.
- Nghiên cứu các biện pháp thi công và kiểm soát ứng suất – chuyển vị trong
quá trình thi công căng cáp dự ứng lực ngoài.
4. Đối tƣợng và Phạm vi nghiên cứu
- Đối tƣợng nghiên cứu là cầu dầm đơn giản bê tông cốt thép (Cầu Bàu tại
Km1096+713 nằm trên Quốc lộ 1 thuộc địa phận huyện Đức Phổ, tỉnh Quảng Ngãi,
dầm chữ T (Đuôi cá), B=9,5m, Ldầm = 15,6m, Hdầm=(0,46-0,78)cm dƣới tác dựng của
tải trọng HL93.
- Tính toán sự làm việc của cáp DUL ngoài cho cầu dầm DUL.
- Nghiên cứu tính toán lực căng thực tế của dầm để đƣa ra biện pháp thi công

cho phù hợp.
- Kiểm soát trong quá trình thi công dầm.
5. Phƣơng ph p nghiên cứu
- Phƣơng pháp nghiên cứu lý thuyết, việc tính toán dựa trên mô hình lý thuyết,
phân tích sơ đồ cầu thực tế trƣớc và sau khi tăng cƣờng.
- Đo kiểm tra, tính toán sức chịu tải thực tế của cầu còn lại và xác định lực căn
cáp DUL cần gia cƣờng.


3

- Kiểm tra ứng suất và chuyển vị trong quá trình thi công căng cáp DUL ngoài.
6. Cấu trúc luận văn
Ngoài phần mở đầu, kết luận và kiến nghị, tài liệu tham khảo trong luận văn
gồm có các chƣơng nhƣ sau:
Chƣơng 1: Nâng cấp dầm cầu cũ dự ứng lực bằng phƣơng pháp dự ứng lực
ngoài.
Chƣơng 2: Tính toán thiết kế gia cƣờng cầu Bàu bằng cáp dự ứng lực ngoài
Chƣơng 3:
+ Quy trình thi công và kiểm soát ứng suất – chuyển vị trong quá trình thi công
căng cáp dự ứng lực ngoài
+ Kết luận và kiến nghị.
7. Tổng quan tài li u nghiên cứu
- Các tài liệu nghiên cứu đƣợc tìm trên thƣ viện và mạng Internet về gia cƣờng
cáp DUL ngoài.
8. Ý nghĩa thực t của đề tài
- Đề tài nghiên cứu thực trạng cầu Bàu và đƣa ra các biện pháp khắc phục sửa
chữa để tăng cƣờng sức chịu tải của cầu Bàu.
- Kiểm soát ứng suất và chuyển vị trong quá trình thi công căng cáp DUL
ngoài.

4

CHƢƠNG 1

NÂNG CẤP DẦM CẦU CŨ DỰ ỨNG LỰC
BẰNG PHƢƠNG PHÁP DỰ ỨNG LỰC NGO I
1.1. Tổng quan về Cầu Bàu tại Km1096+713 nằm trên Quốc lộ 1 thuộc địa phận
huy n Đức Phổ, tỉnh Quảng Ngãi [1]

Hình 1.1: Hiện trạng cầu Bàu

1.1.1. K t cấu cầu:
Cầu Bàu đuợc thiết kế vào những năm 60 thuộc chế độ cộng hòa với tải trọng
thiết kế HS20-44 theo quy trình AASHTO92 bằng cáp DUL căng trƣớc với các nội
dung sau:


5

- Chiều dài toàn cầu Ltc=46,5m
- Khổ cầu: B = 8,50 + 2x0,5 = 9,50m.
- Tải trọng thiết kế:
+ Hoạt tải thiết kế HS20-44
+ Đoàn nguời 3 kN/m2.
+ Cấp động đất: Động đất cấp VII.
- Tần suất thiết kế P = 10%
- Đuờng hai đầu cầu: Bn=13,5; Bm=10,5m.
- Kết cấu nhịp:

+ Cầu gồm 3 nhịp L=15,6m, mỗi nhịp gồm 10 dầm BTCT DUL tiết diện chữ
“T”, chiều cao dầm Hmin=0,46m; Hmax=0,78m, chiều dày bản mặt cầu cũ H=13cm.
Cầu đã đƣợc nhiều lần gia cƣờng trong đó có gia cƣờng thêm bản mặt cầu với chiều
dày bản mặt cầu H=17cm và tổng chiều dày của bản mặt cầu H=30cm, khoảng cách
tim các dầm chủ là 0,95m.
+ Trên mỗi nhịp có 3 dầm ngang, 2 tại vị trí đầu dầm và 1 tại vị trí giữa nhịp.
+ K t cấu phần dƣới:
- Mố cầu: Hai mố có kết cấu giống nhau, xà mũ, tƣờng đỉnh và tƣờng cánh bằng
BTCT, bờ chài trƣớc mố và nón mố bằng đá hộc xây.
- Trụ cầu: Các trụ có kết cấu giống nhau dạng trụ cọc BTCT, xà mũ trụ bằng
BTCT đặt trên hai hàng cọc BTCT (mỗi hàng 6 cọc), tiết diện cọc (35x35)cm.
+ Đƣờng hai đầu cầu và h thống iển

o an toàn giao thông :

- Mặt đƣờng bê tông nhựa hai đầu cầu rộng Bm=10,5m, Bn=13,5m và đƣợc
vuốt nối nhỏ dần khi vào cầu.
+ Mặt đƣờng bằng BTN
+ Làn vào cầu bố trí hệ thống tƣờng hộ lan mềm, chiều dài hộ lan mềm mỗi bên
24m (8 khoang c/k 3m).
+ Hai đầu cầu đặt biển báo tên cầu và biển báo tải trọng 20T.
1.1.2. C c dạng hƣ hỏng trong
1.1.2.1. K t cấu phần trên
 K t cấu nhịp:

t cấu nhịp cầu


6

Hiện tại kết cấu nhịp đã xuất hiện nhiều hƣ hỏng nhƣ nứt dầm chủ, bong vỡ bê
tông dầm ngang, mối nối dọc... Cụ thể nhƣ sau:
- Nhịp 1:
+ Dầm chủ số 10 bị nứt dƣới bụng dầm khu vực giữa nhịp, bề rộng vết nứt
0,05mm.
+ Mối nối dọc: Giữa dầm số 1 và số 2, giữa dầm số 6 và số 7 bị vỡ bê tông mối
nối suốt chiều dài nhịp, giữa dầm 9 và 10 (Phía mố M0) bê tông vỡ KT (0,1x0,1)m.
- Nhịp 2:
+ Dầm ngang trên trụ T1: Khoang 6, 7, 8, và 9 bị nứt bê tông khu vực mặt ngoài
sƣờn dầm.
+ Dầm ngang giữa nhịp: Hƣ hỏng, vỡ bê tông lộ cốt thép tại đáy dầm 4 và 6
+ Mối nối dọc: Giữa dầm số 1 và số 2, giữa dầm số 6 và số 7 bị vỡ bê tông mối
nối suốt chiều dài nhịp, giữa dầm 8 và 9, giữa dầm số 9 và số 10 bị vỡ mối nối bê tông
suốt dọc chiều dài dầm (rộng trung bình 10cm).
Nhịp 3:
+ Các dầm chủ số 1, 2, 5, 6, 7, 8, 9, 10 bị nứt dƣới bụng dầm khu vực gần giữa
nhịp, bề rộng vết nứt khoảng 0,05mm.
+ Dầm ngang trên trụ T2: Các khoang 1, 2, 3, 4, 5, 6, 8, 9 nứt bê tông khu vực
mặt ngoài sƣờn dầm.
+ Dầm ngang giữa nhịp: Hƣ hỏng nứt bê tông dƣới đáy dầm 1, 8, 9. Vỡ bê tông
đáy dầm ngang ngay dƣới dầm chủ số 6 & 7, làm lộ cốt thép chủ bị đứt.
+ Mối nối dọc: Giữa dầm số 1 và số 2, giữa dầm số 6 và số 7 bị vỡ bê tông mối
nối suốt chiều dài nhịp, giữa dầm 8 và 9, giữa dầm số 9 và số 10 bị vỡ mối nối bê tông
suốt dọc chiều dài dầm (rộng trung bình 10cm).
Khe co dãn:
Toàn bộ cầu có 4 khe co dãn bằng tấm cao su cốt bản thép, mỗi khe gồm 9 tấm
dài 1m. Hiện trạng hƣ hỏng các khe co dãn:
+ Khe co dãn trên mố M0: Các tấm cao su khe co dãn bị bong bật, BTXM khe
co dãn bị vỡ một số vị trí.
+ Khe co dãn trên trụ T1: Các tấm cao su khe co dãn bị bong bật, mất 2 tấm cao

su, BTXM khe co dãn bị nứt vỡ lộ cốt thép.


7

+ Khe co dãn trên trụ T2: Các tấm cao su khe co dãn bị bong bật, BTXM khe co
dãn bị nứt vỡ hết, lộ cốt thép.
+ Khe co dãn trên trụ M1: Các tấm cao su khe co dãn bị bong bật hoàn toàn,
BTXM khe co dãn bị nứt vỡ lộ cốt thép.
Các lớp mặt cầu:
Lớp bê tông nhựa mặt cầu dày trung bình 5cm. Hiện trên mặt cầu đã xuất hiện
một số hƣ hỏng nhƣ: Bong tróc, ổ gà và xuất hiện các vết nức ngang, dọc làm nƣớc
trên mặt cầu vẫn thấm qua và chảy loang xuống sƣờn dầm chủ.
Lề bộ hành, lan can, tay vịn:
Cột lan can bằng ống thép Þ80mm, tay vịn bằng ống thép Þ120mm. Bệ lan can
bằng bê tông cốt thép.
Hệ thống thoát nƣớc mặt cầu:
Mỗi nhịp có 6 lỗ thoát nƣớc (mỗi bên 3 lỗ) bằng ống nhựa PVC Þ100mm.
Gối cầu:
Gối cầu bằng cao su cốt bản thép.
Đƣờng hai đầu cầu và hệ thống biển báo an toàn giao thông :
Mặt đƣờng bê tông nhựa hai đầu cầu rộng Bm=10,5m, nền đƣờng Bn=13,5m và
đƣợc vuốt nối nhỏ dần khi vào cầu.
Làn vào cầu bố trí hệ thống tƣờng hộ lan mềm, chiều dài hộ lan mềm mỗi bên
24m (8 khoang c/k 3m).
Hai đầu cầu đặt biển báo tên cầu và biển báo tải trọng 20T.
Kết cấu phần dƣới:
- Mố cầu: Hai mố có kết cấu giống nhau, xà mũ, tƣờng đỉnh và tƣờng cánh bằng
BTCT, bờ chài trƣớc mố và nón mố bằng đá hộc xây. Chất lƣợng vật liệu xà mũ mố,
tƣờng cánh, bờ chài và nón mố chƣa có dấu hiệu hƣ hỏng.

- Trụ cầu: Các trụ có kết cấu giống nhau dạng trụ cọc BTCT, xà mũ trụ bằng
BTCT đặt trên hai hàng cọc BTCT (mỗi hàng 6 cọc), tiết diện cọc (35x35)cm. Chất
lƣợng bê tông xà mũ và các cọc (phần trên mực nƣớc khảo sát) quan sát bằng mắt
thƣờng chƣa thấy có dấu hiệu hƣ hỏng.


8

Hình 1.2: Hư hỏng mặt đường BTN trên cầu


9

Hình 1.3. Hư hỏng tại khe co giản
1.1.2.2. Nứt dọc trên mặt cầu
Đây là hƣ hỏng phổ biến nhất. Vết nứt dọc xuất hiện trên phạm vi mối nối dọc
của các loại dầm chữ T. Trên 60% các loại cầu BTCT dầm chữ T đƣợc xây dựng từ
trƣớc những năm 1990 bị hƣ hỏng dạng này.


10

Hình 1.4: Hư hỏng tại mối nối dọc của cầu
1.1.2.3. V t nứt ở ên trên thớt gối
Nguyên nhân là do cấu tạo cốt thép đặt ở đầu dầm không đủ và cấu tạo đầu dầm
không hợp lý (neo đặt quá sát nhau, thớt gối ngắn,…Sự làm việc của thớt gối có ảnh
hƣởng đến loại vết nứt này. Nếu gối di động bị kẹt không hoạt động tốt sẽ gây ra các
ứng lực phụ làm tăng các vết nứt này.

11














Hình 1.5: Các dạng vết nứt trong kết cấu nhịp cầu
1-Do co ngót

2-Nứt xiên

3- Nứt dọc tại chỗ tiếp giáp bản cánh và sƣờn dầm

4-Nứt ngang bản cánh trên 5-Nứt ngang bầu dầm dƣới 6-Nứt dọc bầu dầm dƣới
7-Nứt ở vùng sát gối

8-Nứt ngang ở đầu dầm

1.2. Tổng quan về c c i n ph p nâng cấp công trình cầu hi n nay
1.2.1. Gia cƣờng ằng phƣơng ph p tăng cƣờng ti t di n
1.2.1.1. Nguyên tắc cấu tạo

Căn cứ vào từng trƣờng hợp cụ thể, việc gia cố bằng phƣơng pháp tăng cƣờng
tiết diện có thể thực hiện nhƣ sau:
- Tăng cƣờng tiết diện BT;
- Tăng cƣờng tiết diện cốt thép;
- Tăng cƣờng tiết diện bê tông kết hợp với tăng cƣờng tiết diện cốt thép.

a) Tăng bề rộng và chiều cao tiết diện

b) Tăng cốt thép chịu kéo

c) Tăng chiều cao và cốt thép chịu kéo
Hình 1.6: Các dạng tiết diện tăng cường
Nếu mức độ tăng cƣờng khả năng chịu lực của dầm không nhiều lắm thì chỉ cần
tăng số lƣợng cốt thép chủ bằng cách hàn thêm một số cốt thép phụ vào những cốt thép
chủ cũ của dầm, rồi trát vữa xi măng hay BT phun. Có thể hàn trực tiếp cốt thép mới
vào cốt thép cũ hoặc đặt một miếng nêm vào giữa chúng, miếng nêm này là đoạn thép


12

tròn, đƣờng kính 10 – 30 mm, dài 8 – 20 cm; các đoạn hàn cách nhau khoảng 100cm.
Nhƣ vậy chiều cao của tiết diện đƣợc gia cƣờng tăng lên 2 – 8 cm.
Nếu cần tăng cƣờng khả năng chịu lực của dầm lên nhiều thì phải tăng chiều
cao tiết diện dầm về phía dƣới bằng cách đặt thêm cốt thép chủ mới, hàn vào cốt thép
chủ cũ bằng các đoạn thép vai bò, thép đai đứng hoặc xiên.
Bê tông ốp tăng cƣờng tiết diện nên dùng bê tông có mác không nhỏ hơn mác
bê tông của kết cấu cũ. Tùy theo điều kiện sử dụng công trình mà chọn loại xi măng và
cốt liệu thích hợp. Chiều dày tối thiểu của phần bê tông ốp 30 – 40 mm khi dùng bê
tông phun và không dƣới 60mm khi đổ thủ công. Độ sụt BT 3 – 4 cm khi sử dụng máy

đầm và điều kiện dễ thao tác, 8 – 10 cm khi đầm bằng tay.
1.2.1.2. Ƣu nhƣợc điểm của phƣơng ph p tăng cƣờng ti t di n
+ Ưu điểm: Có tính kinh tế, tốn ít vật liệu mà hiệu quả tăng cƣờng khả năng
chịu lực cho kết cấu vẫn lớn, sửa chữa đƣợc những hƣ hỏng có trƣớc, giữ nguyên tính
toàn khối của kết cấu bê tông cốt thép. Việc thi công không phức tạp, không có yêu
cầu gì đặc biệt về vật tƣ, phƣơng tiện.
+ Nhược điểm: Chỉ áp dụng đƣợc cho kết cấu BTCT thƣờng, thi công ở nơi
sông không sâu, không có khổ thông thuyền. Không lƣu thông đƣợc trên cầu khi tiến
hành gia cƣờng. Sự tham gia làm việc của phần tăng cƣờng với kết cấu cần tăng cƣờng
không đƣợc chặt chẽ nhƣ một khối thống nhất. Vì phần bê tông cũ và bê tông mới có
thể hình thành một mặt trƣợt do lực dính giữa chúng không thể đảm bảo nhƣ nguyên
khối. Hơn nữa, trong quá trình đóng rắn, phần bê tông mới sẽ bị co ngót, có nguy cơ
phá vỡ độ dính kết với phần đƣợc tăng cƣờng. Đồng thời có sự chênh lệch về ứng suất
giữa phần gia cƣờng và phần đƣợc gia cƣờng, càng làm tăng khả năng trƣợt giữa 2 lớp
vật liệu cũ và mới, làm giảm hiệu quả của phần gia cƣờng.
1.2.2. Gia cƣờng cầu ằng tấm polymer cốt sợi cac on (FRP)
1.2.2.1. Vật li u
Tấm FRP có cấu trúc nền là Epoxy và cấu trúc sợi là sợi cacbon. Đƣợc đặt chủ
yếu theo chiều dọc, sợi ngang ít hơn và đƣợc dệt vuông. Tấm FRP thƣơng phẩm có độ
dày từ 1-1,5 mm và chiều rộng từ 50-100 mm. Tấm này chứa 60-70% (theo thể tích)
sợi cacbon với đƣờng kính khoản 8µm, đƣợc rải theo hƣớng nhất định trong thảm


13

epoxy. Sợi cacbon có mô-đun đàn hồi 240-900MPa và cƣờng độ chịu kéo 2.0007.000MPa.
Sợi Cacbon là sợi có giá thành đắt nhất so với hai loại sợi thủy tinh và sợi aramid,
gấp 5-7 lần sợi thủy tinh. Sợi cacbon nhẹ hơn và cƣờng độ cao hơn khi so sánh với các sợi
thủy tinh và aramid. Chúng có sức kháng rất cao với tải trọng động, đặc biệt mỏi và từ
biến, có hệ số giản nở nhiệt thấp. Sợi cacbon đƣợc sản xuất bằng phƣơng pháp nhiệt phân

và hữu cơ kết tinh ở nhiệt độ trên 20000C, sợi đƣợc xử lý nhiệt theo nhiều quá trình để tạo
ra các sợi các bon. Sản phẩm sợi tạo thành có các thay đổi nên tồn tại nhiều loại sợi khác
nhau.
Hiện nay sợi cacbon ngày càng sử dụng phổ biến trong kết cấu xây dựng do
chúng có các ƣu điểm, nhƣ: Cƣờng độ cao, trọng lƣợng nhẹ, khả năng chống mài mòn
cao.
Tính chất của tấm theo chiều dọc hầu nhƣ bị chi phối mạnh m bởi sợi
cacbon. Tấm FRP có Mô-đun đàn hồi 150-300 MPa và cƣờng độ kéo 2.000-3.000
MPa. Tƣơng tự nhƣ sợi cacbon, đƣờng biến thiên giữa ứng suất và độ biến dạng của
các tấm là tuyến tính đàn hồi cho đến khi bị phá hủy. Mặc dù vai trò của thảm epoxy
đối với cƣờng độ của các tấm là không đáng kể nhƣng cƣờng độ kéo khoản 60-90 MPa
cao hơn rất nhiều so với cƣờng độ bê tông là yếu tố phải có để truyền các ứng suất
bám dính. Độ biến dạng cực đại cao 3-5% đảm bảo sức chịu của các sợi đối với toàn
bộ ứng suất có thể có trong tấm.
Cƣờng độ tức thời của tấm polime cốt sợi cacbon thích hợp cho việc chịu tải
trọng của cầu. Độ co giãn do trƣợt và đồng trục cũng nhƣ độ nới lỏng là không đáng
kể.
* Chất kết dính
Chất kết dính hay còn gọi là chất d o nền phần lớn là epoxy hai thành phần trộn
với cốt liệu. Cƣờng độ kéo ≥ 30 MPa vƣợt hơn bê tông gấp 10 lần. Chất kết dính epoxy
có độ co ngót và biến dạng mỏi thấp cũng nhƣ sức đề kháng hóa học và chịu nhiệt cao.
Các chất keo dán cũng đã đƣợc thử nghiệm có kết quả và đƣợc bán kèm với tấm polime
cốt sợi cacbon. Chất kết dính có các tác dụng sau:
+ Truyền lực giữa các sợi riêng rẽ;
+ Bảo vệ bề mặt của các sợi khỏi bị mài mòn;


14

+ Bảo vệ các sợi, ngăn chặn mài mòn và các ảnh hƣởng do môi trƣờng;

+ Kết dính các sợi lại với nhau;
+ Phân bố, giữ vị trí các sợi vật liệu FRP;
+ Thích hợp về hóa học và nhiệt với cốt sợi.
Trong vật liệu FRP thì chất d o nền có chức năng truyền lực giữa các sợi, còn
cốt sợi chịu tải trọng, cƣờng độ, độ cứng, ổn định nhiệt. Chất d o nền dùng để sản xuất
vật liệu FRP thƣờng sử dụng là viny lester, polyethylene, epoxy. Trong đó, chất Epoxy
đƣợc sử dụng rộng rãi hơn hai chất kia, chất này có các ƣu điểm chính là:
+ Không bay hơi và độ co ngót thấp trong suốt quá trình lƣu hóa;
+ Sức khan rất tốt với sự thay đổi hóa học;
+ Dính bám với cốt sợi rất tốt.
Bảng 1.1: Thể hiện tính chất cơ học khác nhau của các loại chất nền
(Coker 2003)
Đặc trƣng

Epoxy

Vinylester

Polyester

0,04-0,047

0,038-0,04

0,036-0,052

Mô đun đàn hồi kéo (ksi)

350-870

465-520

400-490

Cƣờng độ chịu kéo (ksi)

Aug-15

11.8-13

6-Dec

Cƣờng độ chịu nén (ksi)

13-16

15-20

14.5-17

360-595

410-500

460-490

0,37

0,373

0,35-0,4

Tỷ trọng (Ib/in3)

Mô đun đàn hồi (ksi)
Hệ số poisson

1.2.2.2. C c đặc trƣng cơ học của vật li u FRP
Vật liệu FRP có cƣờng độ và độ cứng phụ thuộc vào vật liệu hợp thành, đặc
trƣng vật liệu của FRP phụ thuộc vào đƣờng kính sợi, hƣớng phân bố các sợi và các
đặc trƣng cơ học của chất d o nền.
Hiện nay sợi cacbon và sợi thủy tinh với cấu trúc nền là epoxy đƣợc sử dụng
rộng rãi. Sợi aramid độ bền thấp, trong môi trƣờng nhiệt độ cao thì làm việc kém.
Trong khi đó, sợi cacbon có mô đun đàn hồi cao nên đƣợc sử dụng phổ biến trong các
kết cấu xây dựng.
Đặc trƣng cơ học của FRP phụ thuộc vào những yếu tố dƣới đây:
+ Đặc trƣng cơ học của sợi (sử dụng sợi cacbon, sợi aramid hay sợi thủy tinh);


15

+ Đặc trƣng cơ học của chất nền (sử dụng Epoxy,Vinylester hay Polyester);
+ Tỷ lệ giữa sợi và chất nền trong cấu trúc FRP;
+ Hƣớng phân bố của các sợi trong chất nền.
Bảng 1.2: Một số đặc trưng tiêu biểu của hệ thống tấm sợi FRP
Chiều
dày
thiết kế
(mm)

Cƣờng
độ chịu
kéo
(MPa)

Mô đun
đàn hồi
(GPa)

Hệ thống FRP

Loại sợi

Trọng
lƣợng
(g/m2)

Tấm Tyfo SEH51

Thủy tinh

915

1,3

575

26,1

Tấm Tyfo SCH41

Cacbon

644

1

985

95,8

Tấm Hex 100G

Thủy tinh

915

0,36

2,3

72

Tấm Hex 103C

Cacbon

610

0,11

3,8

235

Tấm Carbodur S

Cacbon

2,1

1,2-1,4

2,8

165

Tấm Carbodur M

Cacbon

2,24

1,2

2,4

210

Tấm Carbodur H

Cacbon

2,24

1,2

1,3

300

Tấm Mbrace EG 900

Thủy tinh

900

0,37

1,517

72,4

Tấm Mbrace AK 60

Aramid

600

0,28

2

120

Mbrace CF 130

Cacbon

300

0,17

3,8

227

Mbrace CF 160

Cacbon

600

0,33

3,8

227

Hình 1.7: Hướng phân bố của cốt sợi (Smith, 1996)

Bảng 1.3: Một số đặc trưng tiêu biểu của các sản phẩm FRP