Tóm tắt luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu đánh giá hiện trạng và nâng cấp tải trọng cầu Nam Ô cũ

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

PHẠM QUANG HIỂN

NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ HIỆN TRẠNG VÀ NÂNG
CẤP TẢI TRỌNG CẦU NAM Ô CŨ

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG

Đà Nẵng - Năm 2018


Công trình được hoàn thành tại
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học:
PGS.TS. HOÀNG PHƯƠNG HOA

Phản biện 1: ……………………………………….
Phản biện 2: ……………………………………….

Luận văn được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp
thạc sĩ Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông họp tại Trường Đại
học Bách khoa vào ngày …..tháng …… năm 2018.

Có thể tìm hiểu luận văn tại:
- Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng tại Trường Đại học
Bách khoa
- Thư viện Khoa Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông - Đại

học Bách khoa


1
MỞ ĐẦU
1. Lý do cho ̣n đề tài:
Giai đoạn hiện nay, cùng với sự mở cửa của nề n kinh tế và tăng
trưởng nhanh của nề n kinh tế nước ta đã thúc đẩ y ma ̣nh mẽ tố c đô ̣
phát triể n của ngành xây dựng nói chung và hê ̣ thố ng cầ u đường bô ̣
nói riêng dẫn đế n hệ thống cầu trên các tuyế n quố c lô ̣ được xây dựng
trong giai đoa ̣n trước đây đều bị xuố ng cấ p và hư hỏng nặng do vấn
đề quá tải gây ra như hiện tượng nứt ngang bụng dầm khu vực gần
giữa nhịp do thiếu mô men kháng uốn, nứt xiên tại sườn dầm và nứt
dọc theo nách dầm khu vực đầu nhịp do thiếu sức kháng cắt và do
ứng suất kéo chủ gây ra.
Trong điều kiện nền kinh tế nước ta hiện nay còn nhiều khó khăn,
chưa đủ điều kiện kinh phí để đầu tư xây dựng cầu mới thay thế, việc
duy trì khả năng khai thác của cầu cũ vẫn phải được thực hiện. Vì
vậy vấn đề sửa chữa và gia cường cầu yếu để nâng cấp tải trọng
nhằm tháo biển hạn chế tải trọng hoặc để đồng bộ biển hạn chế tải
trọng trên tuyến đã trở nên hết sức cần thiết. Trong một vài năm trở
lại đây trên hầu hết các quốc lộ trong cả nước một số cầu yếu đã
được sửa chữa gia cố theo hướng chủ đạo là tăng khả chịu lực cho
kết cấu dầm chủ bằng giải pháp “Làm thêm bản BTCT liên hợp trên
đỉnh dầm chủ đồng thời bổ sung vật liệu chịu kéo cho cốt thép
thường (hoặc thép DƯL) bằng vật liệu polyme cốt sợi các bon dán
vào mặt bê tông khu vực đáy dầm chủ để tăng độ cứng và sức kháng
uốn cho dầm chủ”. Chính vì vậy, hướng nghiên cứu của đề tài về
“Nghiên cứu đánh giá hiện trạng và nâng cấp tải trọng cầu Nam Ô
cũ” là thật sự cần thiết và có tính thực tiễn cao.

2. Mu ̣c tiêu nghiên cứu của đề tài:


2

Tìm hiểu một số biện pháp gia cường cầu BTCT, BTCT DƯL và
áp dụng vật liệu polymer cốt sợi tăng cường khả năng chịu lực cho
cầu Nam Ô cũ nhằm nâng cấp tải trọng để tháo biển hạn chế tải trọng
hoặc để đồng bộ biển tải trọng trên toàn tuyến.
3. Đố i tươ ̣ng nghiên cứu:
Kế t cấ u dầ m chủ các cầu dầm bê tông cốt thép và bê tông cốt thép
dự ứng lực nhịp giản đơn trên các tuyế n quố c lô ̣ thuô ̣c điạ phâ ̣n Cu ̣c
Quản lý đường bô ̣ III quản lý.
4. Pha ̣m vi nghiên cứu:
Nghiên cứu sử dụng vật liệu polyme cốt sợi để nâng cấp tải trọng
cho kết cấu dầm BTCT và BTCT DƯL.
5. Phương pháp nghiên cứu:
- Phương pháp nghiên cứu cơ sở lý thuyết;
- Đề tài sử dụng các phương pháp nghiên cứu chủ yếu là thống kê,
tổng hợp, phân tích, đánh giá.
- Phương pháp quan sát, kiểm tra, đo đạc thu thập số liệu thực tế.
6. Ý nghiã khoa ho ̣c và thư ̣c tiễn của đề tài:
Đề tài đã tim
̀ hiể u về khoa ho ̣c mô ̣t số vâ ̣t liê ̣u chuyên du ̣ng và
phương pháp gia cường cho kế t cấ u nhip,̣ tìm hiể u phương pháp tiń h
toán, đánh giá khả năng chiụ tải của cầ u sau khi gia cường thông qua
thực nghiê ̣m. Qua đó góp phầ n hiê ̣u quả cho công tác thiế t kế , gia
cường hê ̣ thố ng cầ u yế u nhằ m nâng cấ p tải tro ̣ng hoă ̣c đồ ng bô ̣ hóa
tải tro ̣ng trên toàn tuyế n quố c lô ̣ thuô ̣c điạ phâ ̣n Cu ̣c Quản lý đường
bô ̣ III.

7. Bố cục của đề tài
Luận văn chia thành 04 phần:
Phần mở đầu: Trình bày tóm tắt lý do chọn đề tài, mục tiêu, nội
dung và phương pháp nghiên cứu.


3

Chương I: Tổng quan về các công trình cầu và các biện pháp gia
cường cầu trên địa bàn Cục QLĐB III.
Chương II: Phân tích, đánh giá hiện trạng và cơ sở lý thuyết tính
toán gia cường nâng cấp tải trọng cầu Nam Ô cũ.
Chương III: Tính toán gia cường kết cấu nhịp cầu Nam Ô cũ bằng
vật liệu FRP.
Kết luận và kiến nghị: Trình bày kết quả thu được của đề tài, các
kiến nghị từ kết quả thu được trong đề tài nghiên cứu đồng thời trình
bày hướng phát triển tiếp theo của đề tài.
Chương 1 - TỔNG QUAN VỀ CÁC CÔNG TRÌNH CẦU VÀ
CÁC BIỆN PHÁP GIA CƯỜNG CẦU TRÊN ĐỊA BÀN CỤC
QLĐB III
1.1. Thực trạng hệ thống cầu:
1.1.1. Thông tin chung:
Trên hệ thống các tuyến Quốc lộ do Cục Quản lý đường bộ III
quản lý có các tuyến Quốc lộ bao gồm QL1, QL1D, QL14, QL14G,
QL19, QL19C, QL26, QL26B, QL27C, đường Hải Vân - Túy Loan,
đường Trường Sơn Đông và đường Hồ Chí Minh với tổng chiều dài
hơn 1.800Km trong đó có 628 cây cầu, trong đó cầu BTCT và BTCT
DƯL có 554 cầu. Hệ thống cầu đang khai thác trên các tuyến quốc lộ
này hầu hết được xây dựng trước năm 1979 (chủ yếu được Mỹ xây
dựng trước năm 1975 và một số cầu được Việt Nam xây dựng sau

giải phóng) sử dụng định hình sản xuất dầm chủ và sơ đồ kết cấu
nhịp chủ yếu của nhà máy bê tông Châu Thới (Công ty bê tông 620 Cienco 6). Trong giai đoạn này kết cấu nhịp chỉ được thiết kế với tải
trọng HS20-44 theo quy trình AASHTO92 của Mỹ. Giai đoạn hiện
nay, hệ thống cầu được thiết kế với tải tro ̣ng H30-XB80 theo quy


4

trình 22TCN18-79. Trong những năm gần đây trong các dự án mở
rộng Quốc lộ 1, Quố c lô ̣ 14 đường Trường Sơn Đông, đường Hầ m
Hải Vân - Túy Loan các cầ u đươ ̣c xây dựng mới với tải trọng HL93.
Tuy nhiên do nguồn vốn còn hạn chế nên các dự án này vẫn tâ ̣n du ̣ng
hê ̣ thố ng cầ u cũ sau khi đươ ̣c sửa chữa, nâng cấ p tải tro ̣ng đồ ng thời
xây dựng thêm mô ̣t đơn nguyên mới bên ca ̣nh các cầ u cũ. Đó là các
tiềm ẩn mất an toàn sự cố cầu có thể xảy ra.
Hệ thống cầu đang dần được đầu tư nâng cấp cải tạo khả năng
chịu tải nhằ m đáp ứng nhu cầ u khai thác tuy nhiên chưa được đồng
bộ trên toàn tuyế n. Trong giai đoạn từ năm 2014 - 2017, Tổng cục
đường bộ Việt Nam đã có nhiều dự án nâng cấp, sửa chữa cầu trong
đó có Dự án sửa chữa gia cường cầu nhằm nâng cấp tải trọng để tháo
biển hạn chế tải trọng hoặc để đồng bộ biển hạn chế tải trọng trên
từng tuyế n quố c lô ̣ trên cả nước.
1.1.2. Các dạng hư hỏng, sự cố thường gặp:
1.2. Những vấn đề đặt ra cho hệ thống cầu trên địa bàn Cục
QLĐBIII:
Thực trạng hệ thống cầu yế u trên địa bàn Cục Quản lý đường
bộ III trải dài trên địa bàn 6 tỉnh Nam Trung bộ (từ Đà Nẵng Khánh Hòa) và 4 tỉnh thuộc khu vực Tây Nguyên (Kon Tum Đắk Nông) gồm 88 cầu nằm rải rác trên 17 Quốc lộ. Trong 88 cầ u
yế u trong địa bà n Cu ̣c III có 17 cầ u trù ng vớ i cá c dư ̣ á n XDCB
hoă ̣c dự á n sử a chữ a gia cườ ng đã triể n khai, cá c cầ u cò n la ̣i cầ n
đươ c̣ đầ u tư sửa chữa, gia cường để nâng đồng bộ tải trọng trên

tuyến: Giữ nguyên khổ cầu cũ, sửa chữa, gia cường để đồng bộ
theo 2 cấp độ:
- Cấp độ 1: Tháo dỡ biển hạn chế tải trọng (Các cầu nằm trên
QL1 và QL19 có các cầu thiết kế với tải trọng H30-XB80 đang cắm


5

biển hạn chế tải trọng hoặc đã bị hư hỏng, xuống cấp).
- Cấp độ 2: Nâng tải trọng đồng bộ phù hợp với tải trọng khai
thác chung của tuyến và khả năng đáp ứng gia cường của các cầu
trên tuyến, tiếp tục cắm biển hạn chế tải trọng cho 3 loại xe hợp
pháp gồm xe [3], [3-S2] và [3-3].
Vấn đề cần đặt ra là: Trên cơ sở nguồ n kinh phí bảo trì và hiê ̣n
tra ̣ng hê ̣ thố ng cầ u phải đưa ra đươ ̣c giải pháp sửa chữa, gia cường
hơ ̣p lý nhằ m giúp hoàn thiện mạng lưới đường giao thông, đáp ứng
nhu cầu vận tải, đồng thời gúp cho các cơ quan quản lý quản lý tốt hạ
tầng cầu, đường bộ và các phương tiện qua lại trên tuyến.
1.3. Tổng quan các giải pháp áp dụng trong công tác sửa chữa,
gia cường cầu yếu:
1.3.1. Gia cường bằng phương pháp dán bản thép.
1.3.2. Gia cường bằng phương pháp căng cáp DƯL ngoài.
1.3.3. Gia cường bằng vật liệu composite cường độ cao (FRP).
1.4. Nghiên cứu công nghệ sử dụng vật liệu FRP trong sửa chữa
và tăng cường cầu BTCT DƯL:
1.4.1. Tổng quan:
Qua các nghiên cứu ở trên cho thấy, với đặc điểm cầu bê tông
hiện hữu ở Cục QLĐB III hiện nay, với đặc điểm áp dụng vật liệu
FRP trên kết cấu hiện hữu phục vụ mục đích tăng cường như đã kể
trên, triển vọng áp dụng vật liệu này rất lớn. Các ưu điểm chính của

vật liệu là:
Giá thành hiện nay không quá lớn, nhiều nhà cung cấp đã có sẵn
tại thị trường Việt Nam như Sika, Tyfo, VSL, Freyssinet... đảm bảo
tính khả thi trong thi công của phương án.
Việc thi công tương đối thuận tiện chỉ bằng các động tác chính là:
Vệ sinh bề mặt bê tông, quét keo epoxy, lắp neo và căng kéo (đối với


6

phương pháp tăng cường chủ động), liên kết tấm, thanh hay tao FRP
vào bề mặt bê tông hiện hữu. Không cần phải thực hiện các biện
pháp bảo vệ gì thêm.
Với các phân tích nêu trên cho thấy, việc áp dụng vật liệu FRP
hiện nay là điều cần thiết, đây là một phương án nghiên cứu thay thế
cho các phương pháp truyền thống hay phương pháp tương đối phổ
biến hiện nay trong kết cấu cầu là phương pháp dự ứng lực ngoài. Vì
vậy, cần thiết phải có một quy trình công nghệ để thực hiện công
việc tăng cường kết cấu nhịp dầm bê tông sử dụng vật liệu FRP hiện
nay.
1.4.2. Khảo sát, kiểm tra phương án tăng cường sử dụng vật liệu
FRP:
Mục đích khảo sát kết cấu nhằm cung cấp các thông tin ban đầu
liên quan đến kết cấu hiện hữu, kiểu và mức độ nghiêm trọng của các
hư hỏng. tính khả thi của phương án tăng cường. Ngoài ra, mục đích
của công tác khảo sát để làm cơ sở đánh giá kết cấu hiện hữu về năng
lực chịu tải và đề ra phương án thiết kế sơ bộ. Trên cơ sở thiết kế đó,
khảo sát tính khả thi của phương án, chi phí thực hiện phương án
tăng cường. Các nội dung khảo sát bao gồm:
- Các thông tin về phương án thiết kế hiện hữu.

- Lịch sử thi công công trình nếu có.
- Các thông tin về vật liệu: Bao gồm các thông tin trong quá trình
thi công về bê tông: các thành phần cấp phối bê tông, các kết quả nén
mẫu bê tông, thép, các kết quả thí nghiệm thép... Trong quá trình
khảo sát, nếu thiếu các thông tin nêu trên hoặc kết cấu bị xuống cấp
cần phải đánh giá mức độ xuống cấp thì cần phải tiến hành lấy mẫu
tại hiện trường để có số liệu sát với kết cấu.


7

Đối với việc kiểm tra kết cấu hiện hữu xem có phù hợp với
phương án tăng cường sử dụng CFRP bao gồm: Công tác kiểm tra
ngoài hiện trường và công tác đánh giá kết cấu nội nghiệp. Nhìn
chung, phương án sử dụng CFRP có tính khả thi cao vì lợi thế thi
công thuận tiện hơn nhiều phương án tăng cường khác do vậy sử
dụng phương án này khả thi cho hầu hết các kết cấu nhịp cầu hiện
hữu. Công tác nội nghiệp trong phòng nhằm mục đích kiểm tra xem
phương án sử dụng CFRP có hợp lý hay không thông qua kết quả
tính toán và đánh giá khả năng chịu tải của kết cấu trước và sau khi
tăng cường.
1.4.3. Lựa chọn dạng vật liệu FRP:
Vật liệu FRP có nhiều loại với nhiều tính năng khác nhau do vậy
lựa chọn vật liệu FRP phụ thuộc vào các yêu cầu:
- Yêu cầu về năng lực chịu tải kết cấu từ đó dẫn tới yêu cầu về
việc sử dụng
- Yêu cầu về điều kiện môi trường xung quanh kết cấu
- Yêu cầu về thi công
- Yêu cầu về giá thành
Có nhiều loại vật liệu FRP khác nhau phụ thuộc vào thành phần

sợi trong cấu thành vật liệu FRP. Mỗi loại sợi dẫn tới đặc trưng cơ lý,
tính bền, tính dẻo khác nhau như đã trình bày ở các mục trên.
- Vật liệu CFRP với cấu thành sợi các bon
- Vật liệu GFRP với cấu thành sợi thủy tinh
- Vật liệu AFRP với cấu thành sợi aramid
Dạng cấu tạo của vật liệu FRP cũng rất phong phú: Dạng tấm
đồng hướng, tấm dị hướng, dạng dải, dạng thanh...
Nhìn chung, đối với yêu cầu của công trình cầu, đặc biệt là cầu bê
tông dự ứng lực và nhu cầu nâng cấp tải trọng hiện nay thì ở Việt


8

Nam, loại FRP phù hợp với các yêu cầu tăng cường trên phổ biến
vẫn là loại CFRP dạng tấm và dạng thanh hoặc tao xoắn.
1.4.4. Công nghệ thi công.
1.5. Kết luận chương 1:
Hệ thống cầu trên địa bàn tỉnh Cục Quản lý đường bộ III được
xây dựng qua nhiều thời kỳ, kết cấu đa dạng nhưng tập trung chủ yếu
là vật liệu bê tông cốt thép, bê tông cố t thép DƯL; tải trọng cầu
không đồng bộ trên các tuyến. Tốc độ phát triển kinh tế nhanh kéo
theo lưu lượng giao thông qua địa bàn ngày càng tăng cả về số lượng
lẫn tải trọng. Điều đó làm cho hệ thống cầu suy giảm cường đô ̣ và
xuố ng cấ p nghiêm tro ̣ng không đáp ứng được năng lực chịu tải.
Các hư hỏng chính tập trung vào sự suy giảm cường đô ̣ và mấ t
ổ n định tổ ng thể của kế t cấ u nhịp, kế t cấ u mố tru ̣ cầ u. Các dạng
hỏng chính về suy giảm cường đô ̣ là: Đứt cáp DƯL đố i với cầ u
BTCT DƯL, nứt thẳ ng góc ta ̣i đáy dầm ở vị trí giữa nhịp và nứt xiên
ta ̣i đầ u nhịp trên gố i, nứt do ̣c nách dầ m đố i với các cầ u bê tông cố t
thép DƯL da ̣ng bu ̣ng cá, tróc vỡ bê tông, rỉ cốt thép gây rộp lớp bê

tông bảo vệ. Các da ̣ng hư hỏng chiń h về mấ t ổ n định tổ ng kế t cấ u
nhịp là: Nứt vỡ bê tông mố i nố i do ̣c, rỉ đứt cáp DƯL ngang đố i với
các cầ u BTCT DƯL, hư hỏng liên kế t ngang hoă ̣c thiế u liên kế t
ngang. Ngoài ra xuấ t hiê ̣n các hư hỏng khác: hư hỏng khe co giãn,
gãy lan can cầu, phần tiếp giáp giữa cầu và đường....
Vì vậy vấn đề sửa chữa và gia cố cầu yếu nhằm đảm bảo an toàn
giao thông và kéo dài thời gian khai thác đã trở nên hết sức cần thiết.
Một số giải pháp sửa chữa cầu yếu (Công nghệ dán bản thép để tăng
sức kháng uốn & kháng cắt, Công nghệ căng cáp DƯL ngoài để tăng
sức kháng uốn) được sử dụng đã phát huy được tác dụng to lớn, tuy
nhiên với từng giải pháp trên vẫn còn tồn tại những mặt hạn chế cần


9

khắc phục. Cùng với sự phát triển của công nghệ tấm chất dẻo được
tăng cường bằng cốt sợi (Fiber Reinforced Polyme - FRP) được
nghiên cứu và phát triển ứng dụng trong thực tế đã mang lại sự lựa
chọn hấp dẫn hơn so với phương pháp dán bản thép hoặc tăng cường
dự ứng lực ngoài.
Trong phạm vi luận văn này, tác giả tập trung nghiên cứu giải
pháp gia cường kết cấu nhịp nhằm nâng cấp tải trong cho các cầu
dầm bê tông cốt thép, bê tông cốt thép dự ứng lực bằng vật liệu
polyme cốt sợi các bon dán vào mặt bê tông khu vực đáy dầm chủ để
tăng độ cứng và sức kháng uốn cho dầm chủ góp phần nâng cao hiệu
quả khai thác, kéo dài tuổi thọ công trình cầu.
Chương 2 - PHÂN TÍCH, ĐÁNH GIÁ HIỆN TRẠNG VÀ CƠ
SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN GIA CƯỜNG NÂNG CẤP
TẢI TRỌNG CẦU NAM Ô CŨ
2.1. Giới thiệu chung:

Cầu Nam Ô (cũ), Km917+198, Quốc lộ 1 thuộc địa phận quận
Liên Chiểu, thành phố Đà Nẵng.
- Cầu gồm 13 nhịp giản đơn dầm BTCT DƯL, Lnhịp=24,7m.
- Chiều dài toàn cầu: Ltc=328,15m.
- Mặt cắt ngang nhịp gồm 10 dầm chủ dạng chữ “T” BTCT DƯL,
chiều cao dầm H=1.04m; chiều dày bản cánh 15cm, chiều dày sườn
dầm 16cm. Khoảng cách giữa tim các dầm chủ 0.96m.
- Khổ cầu: Nhịp N1 đến nhịp N3: B=8.54+2x0.5= 9.54m, hai bên
là gờ chắn bằng BTCT rộng 0.5m. Nhịp N4 ÷ N13: B = 7.6+2x1.26=
10.12m, hai bên là lề bộ hành rộng 1.26m khác mức với mặt cầu xe
chạy.
- Cầu được thiết kế với tải trọng HS20-44.


10

Cầu nằm ở vị trí cửa biển, chịu ảnh hưởng trực tiếp của môi
trường biển. Từ năm 1989 đế n nay cầu đã được sửa chữa nhiều lầ n
để duy trì khả năng khai thác. Năm sửa chữa gần nhất vào năm 2013
đã thay thế hệ dầm chủ N1 đến N3.
Theo kết quả kiểm định mới nhất thực hiện tháng 5/2016 thuộc
Dự án tín dụng ngành GTVT để cải tạo mạng lưới đường Quốc gia
lần 2 cầu được cắm biển khai thác với tải trọng của 3 xe tải hợp pháp
[3], [3-S2] và [3-3] lần lượt là: 18T:22T:25T.
Thời gian gần đây, công trình cầu tiếp tục xuất hiện nhiều hư
hỏng vì vậy cầu đang khai thác với xe tải có tổng số trục < 3trục. Đối
với xe tải có số trục > 3 trục thì được phân luồng qua 1 làn xe bên hạ
lưu cầu mới..
2.2. Hiện trạng cầu:
2.2.1. Kết cấu phần trên:

- Hệ dầm chủ xuất hiện các vết nứt tại đáy dầm và sườn dầm; các
vết nứt tập trung ở giữa nhịp, bề rộng vết nứt từ 0,05-0,2mm. Một số
dầm đã bị bong tróc bê tông đáy dầm lộ cốt thép; Theo kết quả khảo
sát có tổng cộng có 29 dầm hư hỏng nặng.
- Phạm vi đầu dầm các nhịp N4-N13 đã xuất hiện các vết nứt
thẳng đứng kéo dài từ đáy dầm lên cánh dầm. Bề rộng vết nứt từ 0.20.5mm; một số vị trí bề rộng vết nứt lên đến 0.8-1mm.
- Hệ liên kết ngang: Mỗi nhịp có 05 dầm ngang BTCT gồm 02
dầm tại đầu nhịp và 03 dầm tại vị trí giữa nhịp. Mối nối giữa các dầm
ngang sử dụng mối nối khô. Hiện tại hệ liên kết ngang từ nhịp N4N13 đã bị hư hỏng bong tróc hoặc bong vỡ bê tông bảo vệ lộ cốt thép,
hư hỏng vỡ mối nối. Các cáp DƯL ngang đã bị gỉ đứt không còn tác
dụng làm lề bộ hành và dầm biên bị nghiêng lệch ra sông.
- Hệ gối cầu bằng gối cao su cốt bản thép, Theo kết quả khảo sát


11

hiện tại, toàn bộ gối cầu các nhịp N4-N13 đã lão hóa và bị bẹp hoàn
toàn; dầm chủ kê trực tiếp đá kê gối hoặc trực tiếp lên xà mũ trụ cầu.
- Mặt cầu xe chạy: Hiê ̣n ta ̣i lớp phủ BTN tại các nhịp có hiện
tượng bong tróc, trơ đá. Đặc biệt tại các nhịp N4-N7 mặt nhựa bị dồn
u, bong tróc từng mảng lớn gây xung kić h và mất ATGT. Lớp BTCT
tăng cường bị bong vỡ tạo ổ gà trên cầu. Tại hầu hết các nhịp này
bản BTCT có hiện tượng nứt vỡ cục bộ gây thấm nước xuống khe
nối dọc giữa các dầm chủ.
2.2.2. Kết cấu phần dưới:
- Toàn cầu có 12 trụ dạng trụ thân cọc, xà mũ trụ bằng BTCT đặt
trên hệ các cọc ống thép đường kính D60cm bên trong nhồi BTCT.
- Các trụ T6-T11 đã được bọc bê tông cốt thép bảo vệ trong phạm
vi lên xuống mực nước thủy triều. Hiện tại phần bê bảo vệ đã bị nứt,
bong vỡ bê tông ở một số vị trí, phần cọc thép trên phạm vi bọc bị gỉ

nhẹ; phần cọc thép dưới mực nước bị gỉ nặng.
- Các trụ còn lại chưa được bọc BTCT, hiện phần vỏ thép nằm
trong mức thủy triều lên xuống bị rỉ nặng, thép bong thành từng lớp,
phần trên mực nước triều bị gỉ nhẹ.
2.3. Đánh giá tải trọng khai thác:
Tháng 5/2016 cầ u Nam Ô - Km917+198 đươ ̣c cho phép thử tải và
kiể m định cầ u nhằ m đưa ra tải tro ̣ng khai thác thực tế . Kế t quả kiể m
định, tiń h toán nô ̣i lực (phụ lục tính) cho kế t cấ u dầ m chủ do hoa ̣t tải
như sau:
Tải trọng kiến nghị
Loại xe

RF

Tải trọng
xe (Tấn)

khai thác (Tấn)
Theo tính
toán

HL93

0,50

HL93

0,5*HL93

Kiến nghị

0,5*HL93


12

Tải trọng kiến nghị
Loại xe

RF

Tải trọng
xe (Tấn)

khai thác (Tấn)
Theo tính
toán

Kiến nghị

Xe tải đơn chiếc [3]

0,87

22,25

18,04

18,00

Xe tải đơn chiếc [3S-2]

0,79

32,04

22,32

22,00

Xe tải đơn chiếc [3-3]

0,80

35,60

25,67

25,00

2.4. Mô hình làm việc của vật liệu FRP trong kết cấu nhịp dầm
BTCT DƯL được tăng cường:
2.4.1. Bê tông.
Trong trạng thái giới hạn sử dụng, bê tông coi như vật liệu đàn
hồi với các thông số như sau:

Biể u đồ quan hê ̣ Ứng suấ t - Biế n da ̣ng của bê tông
2.4.2. Cốt thép.
Cốt thép sử dụng trong kết cấu bê tông thông thường là loại AII
hay AIII theo TCVN 1651-1985 hoặc grade 420 theo tiêu chuẩn
22TCN272-05. Cốt thép thông thường có độ dãn dài tương đối lớn

13

trước khi bị kéo đứt vì vậy được coi là đạt tới TTGH khi đạt đến giới
hạn chảy fy.
2.4.3. Thép dự ứng lực.
Thép dự ứng lực được tính tới cường độ danh định. giả thiết là dù
đạt đến giới hạn kéo đứt danh định fps thì mô đun đàn hồi của thép
vẫn không đổi Ep=197,000 Mpa nếu không có các số liệu thí nghiệm
cụ thể. Khi đó biến dạng trong thép sẽ theo quan hệ p=fpsp
2.4.4. Vật liệu CFRP
Vật liệu FRP có nhiều dạng với các thông số có thể thay đổi
tương đối lớn. Đặc tính của vật liệu này phụ thuộc vào dạng vật liệu
sử dụng làm cốt sợi và phân bố của dạng sợi. Tùy theo mục đích sử
dụng mà có thể chọn loại vật liệu tương ứng căn cứ vào điều kiện thi
công, điều kiện có sẵn của vật liệu và điều kiện về giá thành.
Đặc tính của vật liệu được giả thiết là tuyến tính cho đến khi phá
hoại.
2.5. Thiết lập, xây dựng mô hình và tính toán nhịp cầu BTCT
DƯL khi được tăng cường vật liệu FRP.
2.5.1. Các giả thiết tính toán:
Các giả thiết sử dụng phổ biến trong tính toán kết cấu tăng cường
bằng CFRP đặt trong các trạng thái chịu lực của kết cấu. Ở trạng thái
chịu uốn, các giả thiết tính toán tương tự như đối với tính toán các
kết cấu bê tông thông thường. Các giả thiết cơ bản bao gồm:
- Việc tính toán kết cấu dựa trên hai giả thiết cơ bản là cân bằng
tĩnh mặt cắt và sự tương thích về biến dạng.
- Mặt cắt phẳng vẫn được duy trì sau khi chịu uốn, các biến dạng
trong thép và bê tông được giả thiết là tỉ lệ với khoảng cách tới trục

trọng tâm dẻo.
- Ứng biến lớn nhất trong bê tông chịu nén là =0.0035


14

- Ứng suất trong cốt thép được tính bằng mô đun đàn hồi Es nhân
với biến dạng s. Trường hợp ứng suất lớn hơn giới hạn chảy của
thép là fy thì giá trị lấy là fy.
- Không có sự trượt giữa CFRP và bê tông.
- Bỏ qua cường độ chịu kéo của bê tông trong tính toán chịu uốn.
- Quan hệ giữa sự phân bố ứng suất nén và biến dạng của bê tông
dựa trên giả thiết hình chữ nhật (ngoài ra có thể dựa trên giả thiết
phân bố dạng parabol hay dạng đa giác). Trường hợp lấy phân bố
dạng chữ nhật, các giả thiết cụ thể cần phải được tuân thủ như sau:
+ Ứng suất trong bê tông là 0.85f’c phân bố đều trong vùng chịu
nén trong phạm vi a=1c.
+ Chiều cao vùng chịu nén c được xác định bằng sự cân bằng
tĩnh của mặt cắt và được đo bằng từ chiều cao từ thớ chịu nén ngoài
cùng tới trọng tâm dẻo của mặt cắt theo hướng vuông góc với trục
cấu kiện.
+ Hệ số 1 được lấy bằng 0.85 đối với bê tông có f’c = 28Mpa
và giảm 0.07 ứng với cường độ f’c tăng 7Mpa nhưng không nhỏ hơn
0.65
- Quan hệ ứng suất - biến dạng của thép và bê tông như đã chỉ ra
trong các tính năng cơ học về vật liệu nêu trên.
- CFRP được giả thiết là có quan hệ ứng suất - biến dạng tuyến
tính cho đến khi phá hoại.Trạng thái giới hạn sử dụng:
2.5.2. Trạng thái giới hạn cường độ:
2.6. Mục tiêu và mức độ đồng bộ tải trọng của các giải pháp gia

cường.
Các giải pháp sửa chữa, gia cường cầ u yế u trên các tuyế n quố c lô ̣
nhằ m mu ̣c tiêu đảm bảo đồ ng bô ̣ tải tro ̣ng khai thác thực tế hoă ̣c tháo
biể n ha ̣n chế tải tro ̣ng đă ̣c biê ̣t là trên tuyế n QL1. Để xác định mức


15

đô ̣ tải tro ̣ng cầ u trên mô ̣t tuyế n quố c lô ̣ sử du ̣ng các phương pháp
đánh giá như sau:
- Đánh giá theo hệ số tải trọng và hệ số sức kháng (LRFR) trên
cầu đường bộ. Lần đầu tiên có trong sổ tay AASHTO năm 2003 và
được ban hành vào các năm sau chẳng hạn 2011, mới đây nhất là
2013. Đánh giá theo phương pháp này phù hợp với tiêu chuẩn
22TCN 272-05.
- Đánh giá theo ứng suất cho phép - sổ tay AASHTO 1994.
- Đánh giá theo hệ số tải trọng - sổ tay AASHTO 1994.
Về nguyên tắc không ưu tiên cho phương pháp đánh giá nào
nghĩa là bất kỳ phương pháp nào cũng có thể dùng để đánh giá tải
trọng khai thác của cầu. Ở Việt Nam phù hợp với 22TCN 272-05 nên
dùng phương pháp đánh giá theo hệ số tải trọng và hệ số sức kháng.
Đánh giá cầu theo hệ số tải trọng và hệ số sức kháng bao gồm 3 nội
dung riêng biệt.
2.6.1. Đánh giá tải trọng thiết kế.
2.6.2. Đánh giá tải trọng hợp pháp.
2.6.3. Đánh giá tải trọng cấp phép.
2.6.4. Quy trình đánh giá tải trọng.
- Có 3 quy trình đánh giá tải trọng phù hợp với đánh giá theo hệ
số tải trọng và hệ số sức kháng:
+ Đánh giá tải trọng thiết kế (đánh giá cấp thứ nhất).

+ Đánh giá tải trọng hợp pháp (đánh giá cấp thứ hai).
+ Đánh giá tải trọng cấp phép (đánh giá cấp thứ ba).
- Mỗi quy trình có một tải trọng cụ thể với các hệ số tải trọng
được hiệu chỉnh đặc biệt nhằm đảm bảo mức độ tin cậy như nhau và
có thể chấp nhận được trong mọi đánh giá.
- Với một tải trọng cụ thể đánh giá tải trọng biểu thị qua hệ số


16

đánh giá (RF). Trình tự đánh giá:
+ Đánh giá theo tải trọng thiết kế HL93, khi đánh giá theo tải
trọng thiết kế được thể hiện qua hệ số đánh giá RF ≥ 1, tức là cầu
khai thác được với HL93 thì không cần đánh giá tải trọng hợp pháp
vì cầu đã khai thác được với HL93 sẽ khai thác được với tải trọng
hợp pháp. Cầu không cần cắm biển hạn chế tải trọng, cho phép tính
toán đánh giá với tải trọng cấp phép khi cần thiết. Nếu RF < 1
chuyển sang bước 2.
+ Đánh giá theo tải trọng hợp pháp:
Các cầu trên khắp cả nước sẽ cắm biển theo loại biển gồm có 3 xe
tải hợp pháp [3], [3-S2] và [3-3].
Chỉ đánh giá tải trọng hợp pháp khi đánh giá HL93 có hệ số đánh
giá RF < 1 ở cấp độ OR.
Nếu đánh giá theo tải trọng hợp pháp có 0,3 ≤ RF < 1 thì phải tính
toán cắm biển hạn chế tải trọng.
Nếu đánh giá theo tải trọng hợp pháp có RF < 0,3 thì phải dừng
khai thác cầu.
+ Đánh giá theo tải trọng cấp phép: Công việc này chỉ được
thực hiện khi đánh giá theo HL93 có RF ≥ 1 hoặc đánh giá theo tải
trọng hợp pháp có RF ≥ 1.

- Mọi cầu đã cắm biển hạn chế tải trọng không đánh giá tải trọng
cấp phép.


17

- Trình tự đánh giá được thể hiện trên sơ đồ sau:

Công thức chung để đánh giá cầu:

Trong đó, RF là tỉ số giữa phần khả năng chịu lực dung cho hoạt
tải và hiệu ứng hoạt tải. Như vậy, khi RF ≥1 thì kết cấu an toàn.
Chi tiết công thức có thể được diễn giải:

- Có ba loại hoạt tải được xem xét đánh giá:
+ Tải trọng thiết kế HL93;
+ Tải trọng để cắm biển: sử dụng 3 xe tải hợp pháp [3], [3-S2]
và [3-3];
+ Tải trọng đặc biệt: các xe siêu trường, siêu trọng cần đánh giá
đặc biệt.


18

Trong công thức trên, hệ số RF càng lớn thì khả năng thông xe
của cầu càng lớn. Tăng cường cầu có nghĩa là nâng cao khả năng
chịu tải của cầu, cũng có nghĩa là làm tăng hệ số RF. Như vậy, việc
tăng cường cầu sẽ đi vào hai xu hướng:
- Một là, tăng khả năng chịu tải C (tăng khả năng chịu mô men,
chịu lực cắt hay ứng suất)

- Hai là, giảm tĩnh tải mà cầu phải chịu, giảm CW (thay thế lan
can bằng bê tông bằng lan can bằng thép để giảm tĩnh tải, dùng DƯL
ngoài để chịu phần tĩnh tải của kết cấu nhịp thay vì để cho dầm chủ
chịu, …)
Vì vâ ̣y, sửa chữa gia cường cầ u cũ đươ ̣c thực hiê ̣n trong những
năm vừa qua thực chấ t để phân ra 2 cấp độ đồng bộ tải trọng:
- Cấp độ 1: Tháo dỡ biển hạn chế tải trọng các cầu đang cắm biển
hạn chế tải trọng hoặc đã bị hư hỏng, xuống cấp.
- Cấp độ 2: Nâng tải trọng đồng bộ phù hợp với tải trọng khai
thác chung của mô ̣t tuyến quố c lô ̣ và khả năng đáp ứng gia cường
của các cầu trên tuyến, cắm cùng một biển hạn chế tải trọng trên một
tuyến cho 3 loại xe hợp pháp gồm xe [3], [3-S2] và [3-3] trong
QCVN41:2016/BGTVT.
2.7. Kết luận chương 2.
Trong chương 2 đã đi sâu tìm hiểu các giải pháp sửa chữa gia
cường hiện tại nhằm mục tiêu nâng cấp tải trọng đối với hệ thống cầu
yếu hiện có. Nêu nguyên lý làm việc và trình tự tính toán của các giải
pháp gia cường, trong đó đi sâu phân tích khả năng tăng cường sức
kháng uốn và kháng cắt với giải pháp gia cường bằng vật liệu
composite cường độ cao cho dầm BTCT DƯL.
Trên cơ sở các giải pháp gia cường, tiến hành tính toán, đánh giá
cầu với tải trọng HL93.


19

Chương 3 - TÍNH TOÁN GIA CƯỜNG KẾT NHỊP CẦU NAM
Ô CŨ BẰNG VẬT LIỆU FRP
3.1. Số liệu thiết kế:
- Kích thước dầm chủ:

3.2. Tính toán hệ số phân bố ngang đối với hoạt tải.
Hệ số phân bố
ngang

Người

Hoạt tải
Mômen

Lực cắt

Dầm trong

0.289

0.459

0

0

Dầm ngoài

0.262

0.315

1

1

Mômen

Lực cắt

3.3. Tính toán nội lực trên các tiết diện của dầm
3.3.1. Nội lực do tĩnh tải.
- Đối với dầm trong:
Mặt cắt

Kí
hiệu

Gối

Mômen do tĩnh tải I

MttI

0.00

Lực cắt do tĩnh tải I

QttI

102.41

76.81

51.20

Mômen do tĩnh tải II

MttII

0.00

98.94

169.62 226.16

Lực cắt do tĩnh tải II

QttII

37.38

28.04

18.69

L/8

L/4

L/2

271.06 464.68 619.57
0.00

0.00

Đơn
vị
KNm
KN
KNm
KN


20

- Đối với dầm ngoài:
Đơn
vị

Mặt cắt

Kí
hiệu

Gối

Mômen do tĩnh tải I

MttI

0.00

Lực cắt do tĩnh tải I

QttI

102.41

76.81

51.20

0.00

KN

Mômen do tĩnh tải II

MttII

0.00

46.44

79.61

106.15

KNm

Lực cắt do tĩnh tải II

QttII

17.55

13.16

8.77

0.00

KN

L/2

Đơn
vị

L/8

L/4

L/2

271.06 464.68 619.57

3.3.2. Nội lực do hoạt tải HL93 và người:
Kí
Mặt cắt
Gối
L/8

hiệu
Mômen do hoạt
MHL93 0.00
1031.35
tải HL93
Lực cắt do hoạt
QHL93 399.33
332.33
tải HL93
Mômen do tải
Mng
0.00
19.22
trọng người
Lực cắt do tải
Qng
36.30
27.79
trọng người

L/4

KNm

1754.17 2260.06 KNm
268.85

152.43

KN

32.94

43.92

KNm

20.42

9.08

KN

3.3.3. Tổ hợp nội lực: Tổ hợp tải trọng: Tĩnh tải + HL93 +Người
TRẠNG THÁI CƯỜNG ĐỘ I
Mặt cắt
Mômen (kN.m)
Lực cắt (kN)

L/2

L/4

L/8

Gối

2,606.64

1,995.50

1,169.58

0.00

145.28

343.67

447.89

555.46

TRẠNG THÁI SỬ DỤNG
Mặt cắt
Mômen (kN.m)
Lực cắt (kN)

L/2

L/4

L/8

Gối

1,688.37

1,289.43

755.33

0.00

83.01

212.82

280.59

350.28

3.4. Kiểm tra dầm chủ theo TTGH CĐ khi chưa gia cường:
3.4.1. Kiểm tra sức kháng uốn:
Điều kiện kiểm tra:
Mu ≤ Mr = Mn


21

=1

- Hệ số sức kháng:

- Sức kháng uốn danh định được xác định theo công thức:

a
a h
M n = A ps f ps (d p − ) + 0.85f' c (b − b w )β1h f ( − f )
2

2 2
Bảng kiểm tra sức kháng uốn trên dầm
Kí hiệu

Gối

L/8

L/4

L/2

Đơn vị

Diện tích cáp dự ứng lực

Aps

1,579.36

1,579.36

1,579.36

1,579.36

mm2

Khoảng cách từ thớ nén ngoài
cùng đến trọng tâm cốt thép DƯL

dp

558.75

690.42

822.08

953.75

mm

Chiều rộng bản cánh chịu nén

b

900

900

900

900

mm

Chiều dày bản bụng

bw

410

160

160

160

mm

Chiều dày cánh chịu nén

hf

150

150

150

150

mm

Giả sử TTH đi qua cánh, tính
chiều cao trục trung hoà

c

118.52

119.88

120.82

121.51

mm

Cánh

Cánh

Mặt cắt

Kết luận vị trí trục trung hoà

Cánh

Cánh

Tính lại chiều cao TTH

c

118.52

119.88

120.82

121.51

mm

Chiều dày khối ứng suất t/đ

a

90.75

91.79

92.51

93.04

mm

Chiều dày bản bụng khi tính Mn

bw

900

900

900

900

mm

Ứng suất trung bình trong cáp
DƯL

fps

1476.83

1493.75

1505.47

1514.08

Mpa

Sức kháng uốn danh định

Mn

1197.42

1520.54

1844.67

2169.43

KNm

Hệ số sức kháng



1.00

1.00

1.00

1.00

Sức kháng uốn tính toán

Mr

1197.42

1520.54

1844.67

2169.43

KNm

MHL93

0.00

1,169.58

1,995.50

2,606.64

KNm

Đạt

Đạt

Không đạt

Không đạt

-

-

8

17

Mômen tính toán với TTGHCĐ I
Kết luận
Thiếu (%)

22

Biểu đồ kiểm tra sức kháng uốn
Qua bảng kết quả kiểm tra ở bảng 3.8 ta thấy tại các vị trí L/2 và
L/4 sức kháng Momen của dầm không đạt, thiếu 17% và 8%.
3.4.2. Kiểm tra sức kháng cắt:
Điều kiện kiểm tra: Vu ≤ Vr = Vn
 = 0.9

- Hệ số sức kháng:

- Sức kháng cắt danh định Vn là giá trị nhỏ hơn trong 2 giá trị:
Vn1 = Vc + Vs + Vp
Vn2 = 0.25fc'bvdv
Trong đó:

Vc = 0.083β f c' b v d v
Vs =

A v f y d v (cotgθ + cotg )sin 
s

Bảng kiểm tra sức kháng cắt trên dầm
Mặt cắt
Mômen tính toán với
TTGHCĐ I
Lực cắt tính toán với
TTGHCĐ I

Chiều rộng mặt cắt
Ứng suất cắt trong bê tông

Kí hiệu

Gối

L/8

L/4

L/2

Đơn vị

MHL93

-

1,169.58

1,995.50

2,606.64

KNm

VHL93

555.46

447.89

343.67

145.28

KN

bv

410.00

160.00

160.00

160.00

mm

v=
Vu/(bvdv)

2.020

4.174

3.076

1.112


23
Mặt cắt
Tỷ số v/fc'
Ứng biến trong cốt thép ở
phía chịu kéo do uốn

Kí hiệu

Gối

L/8

L/4

L/2

v/fc'

0.0508

0.105

0.077

0.028

εx

0.00112

0.00200

0.00200

0.00200

θ

38.169

41.000

42.000

43.000

cotg θ

1.273

1.151

1.111

1.073

Đơn vị

Độ



1.761

1.650

1.650

1.720

Sức kháng cắt của bê tông

Vc

281.728

103.014

107.248

130.733

KN

Diện tích cốt thép chịu cắt

Av

226.195

226.195

226.195

226.195

mm2

Góc nghiêng của cốt thép
với trục dọc

α

90

90

90

90

Độ

Sức kháng cắt của cốt thép đai

sin α

1.00

1.00

1.00

1.00

cotg α

0.00

0.00

0.00

0.00

Vs

536.82

109.91

110.48

124.75

KN

Góc nghiêng của cáp DƯL

0.043

0.043

0.043

-

radians

Sức kháng cắt do dự ứng lực

Vp

80.91

80.91

80.91

-

KN

Sức kháng cắt danh định Vn1

Vn1

899.45

293.84

298.64

255.48

KN

Sức kháng cắt danh định Vn2

Vn2

3,040.04

1,186.36

1,235.12

1,444.31

KN

Sức kháng cắt danh định

Vn

899.45

293.84

298.64

255.48

KN

Sức kháng cắt tính toán

Vr

809.51

264.45

268.77

229.94

KN

Đạt

0 Đạt

0 Đạt

Đạt

-

41

22

-

Kết luận
Thiếu (%)

-

Biểu đồ kiểm tra sức kháng cắt